Quan sát thế giới nguyên tử nhỏ bé như thế nào?

Các loại vật chất trong đời sống hàng ngày đều do một lượng lớn các nguyên tử hoá hợp ngưng tụ lại mà thành. Trên cấp độ hoá học, nguyên tử là đơn vị cơ bản cấu thành thế giới vật chất. Vậy thì, như thế nào mới có thể quan sát thấy nguyên tử nhỏ bé trong vật liệu nhỉ? Cho đến nay, thông thường có hai cách:

Cách thứ nhất gọi là phương pháp nhiễu xạ, chủ yếu dùng để quan sát sự sắp xếp của nguyên tử trong tinh thể. Dùng một chùm tia chiếu lên tinh thể. Do nguyên tử trong tinh thể sắp xếp có trật tự, vì vậy, căn cứ vào nguyên lí vật lí, sự bố trí của nguyên tử tác động với chùm tia, làm cho những tia khi đi ra được tăng cường ở một hướng nào đó, còn ở các hướng khác lại yếu đi. Thế là trên phim chụp ảnh hoặc màn huỳnh quang thu được một cái gọi là “hình nhiễu xạ”. Các nhà khoa học thông qua phân tích, tính toán đối với tác động giữa tinh thể và chùm tia, có thể căn cứ “bức tranh nhiễu xạ” hoàn nguyên một cách vô cùng chính xác phương thức sắp xếp của nguyên tử trong tinh thể, qua đó cấu tạo ra bức tranh vi mô của thế giới nguyên tử trong tinh thể. Trong nghiên cứu thực tế, chùm tia dùng đến có thể là chùm electron, cũng có thể là chùm tia X. Cái trước gọi là thuật hiển vi điện tử. Kính hiển vi điện tử có độ phân giải cao có thể phân giải nguyên tử được chế tạo ra dựa vào nguyên lí này.

Dùng phương pháp nhiễu xạ chỉ có thể quan sát thế giới nguyên tử trong tinh thể. Đối với tinh thể vô cơ và tinh thể hữu cơ đơn giản, do công việc hoàn nguyên của bức tranh nhiễu xạ tương đối đơn giản, thông thường có thể hoàn nguyên sơ đồ kết cấu sắp xếp nguyên tử của chúng một cách khá dễ dàng. Còn đối với tinh thể của phân tử lớn như protêin, axit nucleic v.v., việc tính toán liên quan tới công tác hoàn nguyên bức tranh nhiễu xạ vô cùng phức tạp, vì vậy tương đối khó đo đạc và xác định sơ đồ kết cấu sắp xếp nguyên tử của chúng. Đối với vật liệu vi tinh thể hoàn toàn không trật tự, hiện nay vẫn chưa thể dùng phương pháp nhiễu xạ quan sát kết cấu sắp xếp giữa nguyên tử với nguyên tử bên trong chúng.

Khác với phương pháp nhiễu xạ, một loại khí cụ kiểu mới khác gọi là kính hiển vi điện tử chui hầm quét lợi dụng hiệu ứng chui hầm lượng tử của electron giữa nguyên tử, làm cho người “nhìn” thấy nguyên tử của bề mặt vật liệu một cách tương đối trực quan, và có thể dịch chuyển, điều khiển những nguyên tử ấy. Trong hiệu ứng chui hầm lượng tử. dòng điện chui hầm và khoảng cách giữa các nguyên tử có mối quan hệ nương tựa hết sức nhạy cảm. Khi dùng mũi kim chỉ có một nguyên tử trên một đỉnh đầu xê dịch trên mặt vật liệu, dòng điện chui hầm giữa mũi kim và vật liệu gắn liền với quá trình thay đổi nhảy vọt của electron ở giữa nguyên tử đỉnh đầu mũi kim và một nguyên tử nào đó trên mặt vật liệu, qua đó có thể nhận ra nguyên tử đơn lẻ của bề mặt vật liệu.

Ưu điểm của kính hiển vi điện tử chui hầm quét là có thể quan sát kết cấu sắp xếp nguyên tử của bề mặt vật liệu một cách tương đối trực tiếp. Chẳng những nó dùng thích hợp với vật liệu tinh thể, cũng có thể dùng vào việc nghiên cứu bề mặt vật liệu đa tinh thể và vô định hình, song với tiền đề là vật liệu phải dẫn điện. Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử chui hầm quét không “nhìn” thấy nguyên tử ở sâu bên trong vật liệu.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Hỏi đáp & Tư vấn © 2013 Hỏi đáp tư vấn