Номер 3, страница 142, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. Можно ли увидеть в современных микроскопах нано объекты? Какие микроскопы используют для этого?

Да, в современные микроскопы можно увидеть нанообъекты, однако для этой цели не подходят классические световые (оптические) микроскопы. Предел разрешения любого оптического прибора ограничен фундаментальным физическим явлением — дифракцией света. Согласно критерию Аббе, минимальное расстояние $\text{d}$, которое можно различить между двумя точками, составляет примерно половину длины волны используемого света $\lambda$ ($d \approx \lambda/2$). Для видимого света (длина волны $\approx 400-700$ нм) этот предел разрешения составляет около 200 нм. Поскольку нанообъекты по определению имеют хотя бы один размер в диапазоне от 1 до 100 нм, они меньше предела разрешения светового микроскопа и потому не могут быть в него рассмотрены.

Для визуализации и исследования нанообъектов были разработаны принципиально другие типы микроскопов, обладающие гораздо более высокой разрешающей способностью. Ключевыми из них являются электронные и сканирующие зондовые микроскопы.

1. Электронные микроскопы

В этих приборах вместо потока фотонов (света) используется пучок ускоренных электронов. Согласно корпускулярно-волновому дуализму, электроны обладают волновыми свойствами, причем их длина волны на порядки короче длины волны видимого света. Это позволяет достигать значительно более высокого разрешения.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ, или TEM): Пучок электронов проходит сквозь сверхтонкий срез исследуемого образца. Взаимодействуя с веществом, электроны частично рассеиваются. Прошедшие через образец электроны фокусируются магнитной линзой на детектор, формируя двумерное изображение внутренней структуры объекта. Разрешение ПЭМ может достигать долей нанометра, что позволяет визуализировать отдельные атомы.

Сканирующий (растровый) электронный микроскоп (СЭМ, или SEM): Тонко сфокусированный пучок электронов последовательно, точка за точкой, сканирует поверхность образца. Взаимодействие первичных электронов с поверхностью вызывает испускание вторичных электронов, которые улавливаются детектором. Интенсивность этого сигнала зависит от рельефа и состава поверхности. Компьютер обрабатывает эти данные, строя трехмерное (псевдо-3D) изображение поверхности с разрешением до 1 нм.

2. Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ)

Эти устройства не используют линзы и не формируют изображение в традиционном смысле. Они строят карту поверхности, "ощупывая" ее специальным наноразмерным зондом (очень острой иглой) и измеряя какое-либо локальное взаимодействие между зондом и поверхностью.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, или STM): Принцип действия основан на квантовом эффекте туннелирования. Острая проводящая игла подводится к проводящей поверхности образца на расстояние менее нанометра. При подаче напряжения между иглой и образцом возникает туннельный ток, величина которого экспоненциально зависит от расстояния. Во время сканирования система обратной связи поддерживает ток постоянным, перемещая иглу вверх и вниз. Записывая эти перемещения, можно построить точную карту рельефа поверхности с атомарным разрешением.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ, или AFM): В этом приборе зонд закреплен на конце гибкой упругой пластинки — кантилевера. При сканировании силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) между атомами на кончике зонда и атомами поверхности вызывают изгиб кантилевера. Этот изгиб с высокой точностью регистрируется с помощью лазерной системы (отражение луча лазера от кантилевера). Это позволяет построить трехмерную карту рельефа поверхности. Важнейшее преимущество АСМ — его универсальность. Он может исследовать любые поверхности (проводники, диэлектрики, биологические объекты) и работать в различных средах (вакуум, воздух, жидкость), что делает его незаменимым во многих областях науки и техники.

Ответ: Да, нанообъекты можно увидеть с помощью современных микроскопов. Для этого используют не традиционные оптические микроскопы, а специальные приборы, такие как электронные микроскопы (просвечивающий и сканирующий), которые используют пучок электронов вместо света, и сканирующие зондовые микроскопы (туннельный и атомно-силовой), которые "ощупывают" поверхность наноразмерной иглой для построения карты ее рельефа.