Domanda:
Come possiamo vedere un atomo adesso? Qual era la scala di questa attrezzatura?
Hanky Panky
2018-02-14 21:48:43 UTC
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L'ho appena visto nei notiziari: Single Trapped Atom cattura il primo premio del concorso di fotografia scientifica.

Credito: David Nadlinger tramite EPSRC

Non sono una specializzazione in fisica, ma credo di conoscere le basi.Ho sempre creduto che non si possano vedere i singoli atomi ad occhio nudo.Cosa permette a quell'immagine di farci vedere un singolo atomo?

Se quel singolo atomo è trattenuto da un campo, perché gli atomi di quel campo stesso non sono visibili?

Sette risposte:
#1
+111
Emilio Pisanty
2018-02-14 22:16:40 UTC
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Le domande se puoi detect luce emessa da un atomo (isolato) e se puoi resolve un atomo dai suoi vicini sono completamente indipendenti.

La spaziatura tra i diversi atomi in un materiale regolare rimane impossibile da risolvere utilizzando la luce visibile, la cui lunghezza d'onda è diverse migliaia di volte più grande. Puoi "vedere" i singoli atomi usando altre tecniche di microscopia (quindi guarda ad esempio questo cortometraggio per un bell'esempio), ma questi utilizzano strumentazione e post-elaborazione piuttosto elaborate e non riflettono ciò che è visibile ad occhio nudo.

L'immagine che stai citando, tuttavia, non rappresenta un atomo su molti in un materiale. Invece, è davvero un singolo atomo isolato, tenuto nel vuoto da una serie di "pinzette" elettriche chiamate trappola ionica (a sua volta prodotta dagli elettrodi metallici che circondano l'atomo, che saranno una coppia di centimetri di diametro), e che emette luce tramite fluorescenza (cioè viene eccitato da un laser e riemette quella luce). La dimensione dell'atomo come appare nell'immagine non ha nulla a che fare con la sua dimensione effettiva: per quanto riguarda la fotocamera, l'atomo è una sorgente puntiforme e la diffusione diversa da zero nell'immagine è causata dalla risoluzione finita del fotocamera.

Quindi, supponendo che l'atomo intrappolato sia abbastanza luminoso, in linea di principio potrebbe essere visto ad occhio nudo, nel qual caso assomiglierebbe molto a una stella in una notte limpida e tranquilla (che sono anche sorgenti puntiformi per quanto i nostri occhi sono preoccupati, anche se il loro aspetto viene poi cambiato da scintillio). Se le configurazioni sperimentali nell'uso effettivo siano sufficienti per produrre atomi sufficientemente luminosi da poter essere visti ad occhio nudo è una buona domanda; la mia comprensione è che questo non è del tutto possibile, ma che con uno sfondo completamente scuro non è poi così fuori portata.

Ciò significa che un essere umano non sarebbe in grado di vedere contemporaneamente sia l'atomo stesso che gli elettrodi della trappola, poiché è necessario uno sfondo completamente scuro per iniziare ad avere la possibilità di vedere l'atomo. Per quanto riguarda la fotocamera, l'autore ha chiarito in un commento che si tratta di una singola esposizione di trenta secondi, con gli elettrodi illuminati da un flash della fotocamera a metà esposizione.


Infine, per rispondere alla tua domanda espansa,

Se quel singolo atomo è trattenuto da un campo, perché gli atomi di quel campo stesso non sono visibili?

la risposta è che il campo che lo sostiene non è fatto affatto di atomi. L'atomo nell'immagine è tenuto in posizione da forze elettrostatiche, che sono le stesse forze che usi per tirare su pezzetti di carta con un palloncino che hai strofinato contro i tuoi capelli. Si dice che le forze elettrostatiche, come le forze magnetiche e la gravità, formino un campo, ma è un campo di forza che è tutto forza e non atomi. L'effetto qui è analogo alla levitazione magnetica, tranne per il fatto che utilizzi campi elettrici (quelli progettati con cura, prodotti dagli elettrodi metallici che circondano l'atomo nell'immagine) invece dei magneti.

@Emilio cosa c'è tra le pinzette e l'atomo?Vuoto? Perché è una certa distanza
@HankyPanky Sono "pinzette" solo in senso figurato.L'intero apparato è nel vuoto e l'atomo è tenuto in posizione da campi elettrici.Le parti metalliche attorno all'atomo sono gli elettrodi che producono quei campi.(Per maggiori dettagli, vedere l'articolo di Wikipedia sulle trappole ioniche collegato nella risposta.)
@EmilioPisanty La foto è una singola esposizione di 30 s, vedere https://www2.physics.ox.ac.uk/research/ion-trap-quantum-computing-group
La foto è una singola esposizione, con solo modifiche minime (bilanciamento del bianco, riduzione del rumore, ecc.).Ho usato due flash per rendere più facile l'illuminazione dell'apparato in modo controllato.In modo divertente, l'atomo è in realtà leggermente sovraesposto (contribuendo alla maggiore dimensione apparente), ma non l'ho capito finché non ho guardato i file sul computer in seguito.
#2
+34
AccidentalFourierTransform
2018-02-14 21:55:37 UTC
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Per essere onesti, questo è effettivamente spiegato nel tuo link.Per dirla semplicemente,

Se la illumini con la giusta luce, inizia a brillare così intensamente che una buona fotocamera può rilevarla.

Per farlo funzionare, l'atomo deve essere il più immobile possibile.Ciò si ottiene "congelandolo" e utilizzando magneti per tenerlo fermo.

Primo piano per completezza:

enter image description here

I commenti non sono per discussioni estese;questa conversazione è stata [spostata in chat] (http://chat.stackexchange.com/rooms/73228/discussion-on-answer-by-accidentalfouriertransform-explain-to-a-4-year-old-how-w).
Per completezza, "congelamento" è il raffreddamento laser e stiamo usando campi elettrici (una trappola di Paul), non magneti.
#3
+17
Anedar
2018-02-15 00:11:44 UTC
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Anche se la fisica è già stata trattata in altre risposte, lascia che ti dia un'idea su come spiegare la differenza tra rilevamento e risoluzione a un bambino di 4 anni:

Prova un'analogia. Qualcosa che non puoi risolvere individualmente ma che vedi abbastanza facilmente. La prima cosa che mi viene in mente sono le luci a distanza. Un mucchio di LED a distanza potrebbe farlo, lo schermo del tuo computer / TV, uno di quei grandi schermi che puoi trovare sugli edifici, le finestre illuminate (o buie) di una casa lontana, lettere su un pezzo di carta e probabilmente un molte cose a cui non riesco a pensare ora.

Il principio rimane lo stesso: scegli le giuste condizioni di illuminazione e la giusta distanza ed è facile vedere se un singolo "pixel" è illuminato o meno. Ma sai distinguere tra uno o due pixel? Riesci a contare i pixel se tutti sono accesi (lo schermo di un computer è probabilmente perfetto per questo)? Puoi dire dove finisce un pixel e dove inizia un altro?

Ok, l'analogia non spiega i limiti di risoluzione, ma penso che con un bambino di 4 anni puoi avere una sensazione abbastanza buona per la differenza tra rilevamento e risoluzione e per "se guardo più da vicino, vedo più dettagli - ma forse non riesco a guardare abbastanza da vicino senza un grande sforzo ".

#4
+10
AnoE
2018-02-15 05:59:14 UTC
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Quando ho appena spiegato ai miei 8 anni cosa sono gli atomi (si è scoperto che lei già sapeva, sembra che gli venga insegnato quel piccolo frammento di informazioni a scuola in questi giorni prima di quell'età, comunque), ho semplicemente preso il buon vecchio approccio greco - immagina di prendere un pezzo di torta, dividerlo in due ecc. ecc. Ho scoperto che un 8 anni è in grado di capire il concetto che a un certo punto non puoi più dividere "cose". Mi sono fermato qui perché a) non ha ancora bisogno di sapere di protoni, elettroni o anche quark eb) l'immagine dei vecchi filosofi è ancora vera. Dividere la materia a livello macro (atomi) in questo modo fino a raggiungere il livello atomare (o molecolare) è fondamentalmente diverso da quello in corso e la divisione ulteriore degli atomi nei loro costituenti.

Per un 4 anni, devi semplificarlo molto. Usa solo la scala. Mostra loro un piccolo granello di sabbia che riesci a malapena a vedere con l'occhio. Quindi metti quel granello di sabbia su un tavolo e vai via con tuo figlio. Fai notare come ora non possa più vederlo. Questo dovrebbe darle un'idea che è importante quanto sei vicino all'oggetto.

Se hai una lente d'ingrandimento in casa, puoi dimostrare quanto è grande il granello di sabbia se visto attraverso di essa.

Per il resto, è una semplice analogia: "Ora, gli atomi sono proprio così, ma molto, molto, molto più piccoli. E in passato, quando ti ho detto che non possiamo vederli, non c'erano lenti di ingrandimento intorno che fossero buone abbastanza. Ma recentemente, hanno inventato alcuni che possono! " O se suona come una bugia (non so se ci siano stati progressi in questo campo negli ultimi 1-2 anni da quando hai detto a tuo figlio ...), dì qualcosa come "Certo, quei ragazzi hanno lenti di ingrandimento che sono grandi come una stanza, loro possono vedere gli atomi, ma noi qui non possiamo. "

Sia tu che io sappiamo che questa è una grossolana semplificazione, ma stiamo parlando della visione del mondo di un bambino di 4 anni.Non ha ancora bisogno di una comprensione completa degli effetti quantistici, dei fotoni che interagiscono con gli atomi e cose del genere.Quanto sopra le darà i concetti, non è totalmente sbagliato e può essere affrontato in modo più dettagliato molto più tardi.

Oh, e ovviamente ci sono molti umani là fuori che sono adolescenti o addirittura adulti e non hanno la minima possibilità di comprendere le spiegazioni "reali" più di quanto farebbe un bambino di 4 anni.Per quelli, anche spiegazioni simili possono funzionare bene.

#5
+10
Luaan
2018-02-15 06:29:56 UTC
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Nella tipica esperienza a livello umano, gli atomi non sono soli. Anche l'atmosfera ha enormi quantità di atomi in un piccolo volume. Quando fai brillare una luce abbastanza intensa da vedere su un volume d'aria (o un oggetto solido), la luce viene riflessa da grandi quantità di atomi allo stesso tempo. Gli occhi umani non possono distinguere tra la luce dai singoli atomi, si fondono insieme. Quando guardi una TV da vicino, puoi vedere singoli pixel (o anche sub-pixel): quando guardi da più lontano, vedi ancora tutti i pixel, ma non puoi distinguerli facilmente l'uno dall'altro.

Ora immagina che dei milioni di pixel sullo schermo della TV, tutti siano neri tranne uno. Anche se i singoli pixel sono "troppo piccoli per essere visualizzati" (distinguendoli da altri pixel nelle vicinanze) normalmente, un pixel risalta chiaramente sullo sfondo nero. E questo è fondamentalmente ciò che questi ragazzi hanno fatto con gli atomi: tenere un singolo atomo lontano dagli altri atomi e accendere una luce. L'atomo è ancora "troppo piccolo per vedere", ma si presenta come un punto sfocato ( molto più grande dell'atomo stesso) poiché c'è poco rumore intorno ad esso. E proprio come con i pixel sulla TV, se metti due atomi vicini, non vedresti alcuna differenza - sembrerebbe comunque un singolo atomo. In effetti, avresti bisogno di grandi quantità di atomi insieme per rendere ovvio che non stai più guardando il "singolo atomo visibile".

In altre parole, "troppo piccolo per vedere" non significa letteralmente troppo piccolo per vedere.Quando guardi la luce riflessa da qualsiasi oggetto, stai "vedendo" atomi, molecole e persino singoli elettroni (per quanto tu possa parlare comunque dell'identità di un elettrone - pensa di più a "un elettrone in un particolare orbitale",non "elettrone di nome Bob"; gli elettroni non hanno realmente identità).Il significato letterale dell'affermazione è "troppo piccolo e troppo ravvicinato per essere distinto l'uno dall'altro".Se guardi da un aereo di notte, puoi vedere chiaramente le città illuminate senza essere in grado di risolvere i singoli lampioni, anche se tutta l'illuminazione proviene da tali sorgenti luminose.

#6
+8
Dohn Joe
2018-02-15 06:38:06 UTC
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Non puoi vedere una lampadina a centinaia di metri di distanza da te stesso, anche in pieno giorno.Tuttavia, di notte, quando è acceso, puoi farlo. Non vediamo il singolo atomo, abbiamo la luce emessa dall'atomo.

"Non vediamo il singolo atomo, abbiamo la luce emessa dall'atomo."Non è questo che significa sempre * vedere *?;-)
@user929304 Beh, una specie di ... http://i.imgur.com/woayOVU.jpg ;-)
@user929304 Normalmente, abbiamo la luce riflessa dagli oggetti, tranne quando emettono luce essi stessi.Ma un buon punto, soprattutto, dal momento che ha attivato Terminator Cat.:-)
#7
-3
Graham
2018-02-15 17:32:55 UTC
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Portagli una lente d'ingrandimento e forse anche un microscopio per bambini.Non sarà ancora in grado di vedere gli atomi, ma avrà l'idea che ci sono cose troppo piccole per essere viste a occhio, ma che puoi ancora vedere con il giusto ingrandimento.Allora tutto quello che devi dire è che questi ragazzi hanno "microscopi davvero buoni e molto costosi".

Sono fortemente in disaccordo.L'unica cosa che fa è creare idee sbagliate senza una buona ragione.Non importa quanto sia buono il tuo microscopio ottico, è fondamentalmente limitato dalla capacità di risolvere un atomo dai suoi vicini allo stato solido (e saltare alla microscopia elettronica aggiunge complessità senza una buona ragione).
@HankyPanky * Potresti *, tuttavia, prendere due granelli di sabbia e metterli così vicini che un microscopio può risolverli ma che sembreranno un punto ad occhio nudo, e poi separarli finché * non puoi * risolverli conl'occhio nudo.Questa è quindi una valida analogia per l'immagine nella domanda.
@EmilioPisanty Niente affatto.Il bambino dell'OP ha 4 anni e non capisce ancora che ci sono cose troppo piccole per essere viste ad occhio, ma che possono ancora essere viste con un'attrezzatura adeguata.Gli ho dato un suggerimento che aiuterà il bambino a capirlo.L'esperimento in sé è un'altra cosa, ovviamente, ma il bambino è bloccato sulla questione di come puoi vederlo in primo luogo.Questo è ciò che l'OP ha chiesto, ed è quello che ho affrontato.Hai un'idea sbagliata di quale domanda stavo rispondendo!
L'idea sbagliata che questo crea è che i microscopi ottici * possono * risolvere gli atomi dai loro vicini allo stato solido se sono abbastanza buoni.Puoi sostenere che non è fatale, ma è un'idea sbagliata e non c'è motivo di introdurlo qui.
@EmilioPisanty Allora non sono assolutamente d'accordo - e lo stesso vale per l'intera professione di insegnante, dalla scuola primaria all'università.Semplicemente non insegni in questo modo.Introduci i concetti in ordine, a una velocità in cui ogni passaggio può essere compreso, e aggiungi strati di complessità man mano che gli studenti sono in grado di affrontarli.Non lanci la Relatività Speciale a un bambino che non ha ancora visto Newton - e non lanci altre forme di microscopia a un bambino che non ha ancora guardato le cose al microscopio.Le "bugie ai bambini" sono il modo in cui funziona l'insegnamento ***.
Non vedo come usare un'analogia completamente falsa possa "insegnare" loro qualcosa di significativo.Se chiedessero in generale come sappiamo cose troppo piccole per vedere ad occhio nudo;questo sarebbe un buon strumento di insegnamento.Quando chiedono specificamente degli atomi, dire loro l'analogia con la lente d'ingrandimento implica fortemente che gli scienziati hanno usato le stesse tecniche della microscopia tradizionale.Non è necessario provare a invocarlo, perché hanno fatto qualcosa di completamente diverso.Non vedo perché sostieni il depistaggio quando invece puoi fare un'analogia per come è realmente fatto.
Le bugie ai bambini sono molto spesso necessarie, ma questa, qui, non lo è.Alla fine, stai solo cambiando il bambino e sperando che non si accorgano che è una non spiegazione.Un appello alla microscopia non spiegherà affatto un'immagine di oggetti in scala centimetrica scattata con una fotocamera standard * senza * alcun microscopio, in una situazione in cui ciò che potrebbe impedirti di vedere l'atomo ad occhio nudo non è che sia piccoloma che è debole.
Penso che tutti possiamo ammettere che ciò che significa * vedere * qualcosa è piuttosto vago, anche per gli adulti.Senza essere in grado di spiegare le sottigliezze di rilevamento, osservazione, interazione, lunghezze d'onda, risoluzione, ecc. A un bambino di 4 anni, non vedo niente di sbagliato nel dire al bambino "non potevamo vedere gli atomi prima, ma abbiamo fatto di meglioattrezzature, così ora possiamo. "In seguito potranno apprendere i modi in cui "vediamo" l'atomo rispetto ai modi in cui non lo siamo.
Per ironia della sorte, la domanda del ragazzo è causata da un'altra bugia "bianca": che non possiamo vedere gli atomi.È una scorciatoia comune, sì, ma non letteralmente vera, e la differenza è al centro del problema qui.E non cercare di dire che è necessario per la comprensione del bambino: la maggior parte degli adulti non rivaluta mai ciò che ha "imparato" da bambini a meno che non lo voglia / abbia bisogno specificamente (o gli sia capitato per caso).Lo stesso malinteso può persistere per generazioni, solo perché qualcuno una volta pensava che fosse un buon strumento di apprendimento.C'è una differenza tra semplificazione e vere e proprie bugie.
Il problema chiave con la tua risposta è che * non si tratta di avere microscopi più potenti *.Ci sono molte grandi analogie in altre risposte (e commenti) che non oscurano la realtà, mentre la tua usa semplicemente un'analogia completamente rotta.La foto è stata scattata con una tipica fotocamera digitale, non con un microscopio ottico (o altro) ultra costoso.La risoluzione è il punto centrale di questo malinteso, quindi questo è il momento perfetto per presentare il concetto al bambino, quando hanno mostrato un chiaro interesse.Non è necessario attenersi all'istruzione programmata;devi personalizzarlo.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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