Pewnie wielu z was widziało niesamowite fotografie małych rzeczy np. bakteria, atom, pyłek kwiatu w niesamowitej ostrości i z dużą ilością detali. Wykonanie fotografii roztocza z taką ilością szczegółów nie byłoby możliwe gdyby materia nie posiadała owej dziwacznej dualnej natury.

fot: National Science Foundation

Myślę, że dla każdego z nas jest oczywistym, iż w ciemnym pomieszczeniu widać mało a żeby cokolwiek dostrzec, to trzeba je oświetlić. Żeby dostrzec drobne elementy to trzeba je oświetlić bardziej i dokładniej o czym wie każdy kto w życiu miał okazję usłyszeć słynne zdanie: “mnie świecisz czy sobie?!”. Dokładnie na tej samej zasadzie działają klasyczne mikroskopy – oświetlamy oglądane próbki światłem, które niczym fala odbija się i trafia do naszych oczu pełniących. Generalną zasadą jest tu, aby długość fala mniej więcej odpowiadała rozmiarom oglądanego obiektu. Im mniejszy jest obiekt, tym krótszej fali należy użyć. I tu zaczynają się schody prowadzące do mikroświata. Taką granicą dla światła, czyli fotonów, wydaje się być ok. 200 nm. Tu przypominam – nanometr to miliardowa część metra. Weźmy do ręki linijkę – spójrzcie na odległość milimetra, aby uzmysłowić sobie jak wygląda nanometr należałoby podzielić ten milimetr jeszcze na milion części. Jednak w mikroświecie taka długość fali to i tak bardzo dużo. Przyczyną jest relatywnie niewielki pęd fotonów.

Pamiętacie z poprzednich części te wzory? Skoro każdemu obiektowi, który pęd posiada, można przypisać falę o określonej długości to może warto skorzystać z innych cząstek? Na taki pomysł wpadli w Berlinie E. Ruska i M. Knoll w 1931r. którzy postanowili posłużyć się elektronami które łatwo rozpędzić pomiędzy katodą a anodą o odpowiedniej różnicy napięć. Im większa ta różnica, tym krótsza jest długość fali takiego elektronu a więc można oglądać naprawdę małe obiekty w niesamowitej rozdzielczości. Małe obiekty naprawdę łatwo rozpędzić do prędkości bliskich prędkości światła, a gdy ich strumień napotka próbkę, może zadziać się kilka rzeczy – elektrony mogą się odbić od powierzchni próbki lub wybić z jej powierzchni inne, a skoro mogą się odbić, to my możemy je zarejestrować. Dobrym modelem takiej sytuacji jest zabawa polegająca na obrzucaniu jakiegoś przedmiotu ukrytego pod stołem piłeczkami do ping-ponga i próba odgadnięcia kształtu obiektu. Jeśli rzucimy takich piłeczek odpowiednio dużo, to zadanie wydaje się być banalne, zwłaszcza jeśli zaprząc do pracy kilka komputerów które na podstawie zarejestrowanych piłeczek stworzą nam obraz obrzuconego obiektu. W przypadku próbki odpowiednio cienkiej, fale elektronów mogą ją zwyczajnie przeniknąć.

Skoro te urządzenia są tak banalnie proste w działaniu, to dlaczego nie są stosowane wszędzie i do wszystkiego? Nie wszędzie aż taka rozdzielczość jest potrzebna, drugą kwestią jest to iż aby elektrony mogły działać swobodnie to próbka musi być umieszczona w próżni i odpowiednio przewodzić prąd. Jak widać problem dotyczy głównie próbek “biologicznych” i można go rozwiązać w dość prosty sposób. Wystarczy taką próbkę pokryć cieniutką, bardzo cieniutką, warstewką metalu. Wynika z tego że można się również posłużyć samą powstałą “skorupką”.

Nasuwa się tu pytanie – jak głęboko da się tak zajrzeć? Jak widać z wzoru, ogranicza nas prędkość jaką możemy nadać takiemu obiektowi. Pewnie części z was przyszedł do głowy obiekt który jest moim zdaniem jedną z najfajniejszych zabawek jaką obecnie mają naukowcy – Wielki Zderzacz Hadronów!

fot: CERN-PHOTO-202109-138-1

Tak, prace prowadzone w CERN to nic innego jako obserwacja obiektów naprawdę małych. LHC jest jednym z wielu akceleratorów cząstek. Słowo wywodzi się z łaciny i oznacza nic innego jako “przyśpieszam”. Jak łatwo z tego wywnioskować rolą takiego akceleratora jest przyśpieszyć cząstki elementarne do prędkości bliskich prędkości światła. I właśnie takie akceleratory narobiły sporo bigosu w dwudziestowiecznej fizyce. Fizycy znali foton, elektron, proton, neutron i mieli świadomość że te cząstki wykazują również właściwości falowe. Wiecie co się stało gdy zaczęto zderzać z sobą strumienie takich cząstek? Do tego prostego modelu dołączyła cała masa nowych cząstek które nie były ani elektronem ani protonem ani neutronem. W pewnym momencie same tablice nowo odkrywanych cząstek zaczęły przypominać grube tomiszcza – już w latach 60. XX wieku znano ich dobrze ponad setkę. Skąd się to wzięło? Po co? Jeszcze dziwniej zrobiło się gdy zaczęto rejestrować cząstki będące efektem promieniowania kosmicznego, obecnie znamy ponad 600 takich cząstek które pozornie nie mają nic wspólnego z tymi swojskimi które budują atomy które znamy naszej szarej codzienności.

Jak posprzątano ten bałagan? Jaki związek ma z tym twaróg? To będzie część jednej z kolejnych historii.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.