なぜ光学顕微鏡で原子を見ることができないのでしょうか?

光学顕微鏡を使えば、肉眼では見えない細菌や細胞を見ることができますが、原子のようなもっと小さなものを見ることは不可能です。

なぜ光学顕微鏡では原子を見ることができないのでしょうか?これは光学顕微鏡の倍率が十分高くないからだと自然に考えるかもしれませんが、本当の理由はそうではないか、あるいはこの説明は十分に正確ではありません。 17 世紀以前、顕微鏡が登場するまで、人類は微視的な世界についてほとんど何も知りませんでした。しかし、初期の顕微鏡の倍率は極めて限られていたため、微生物を観察することは不可能でした。せいぜい、ノミを観察するのに使える程度だ。それにもかかわらず、当時顕微鏡はまだ珍しく高価な品物でした。ロバート・フックという名の用務員も顕微鏡に非常に興味を持っていましたが、そのような高価な品物を買うお金がなかったので、自分で顕微鏡を研磨することにしました。

ロバート・フックの鏡研磨技術は実に傑出していたと言わざるを得ません。彼は小さなガラスビーズにレンズを研磨し、それを銅板の小さな穴に埋め込み、シンプルな構造の顕微鏡を作りました。

ロバート・フックの顕微鏡は構造が単純でしたが、強力で対象物を 300 倍に拡大することができました。実際、彼が開発したものは本物の顕微鏡でした。その後、ロバート・フックは自ら作った顕微鏡の助けを借りて、血液中に細菌と赤血球が存在することを発見しました。彼は驚くべき発見により、ラテン語を話さない人として初めてロンドン王立協会の会員となった。それ以前は、ラテン語が科学の世界共通語であったため、会員になるための基本要件はラテン語でした。

ロバート・フックが本物の顕微鏡を発明してから約400年が経ちました。現代の光学顕微鏡の拡大能力は以前をはるかに超えており、物体の画像を最大 2,000 倍まで拡大できます。

つまり、光学顕微鏡を使えば、動物や植物の細胞をはっきりと見ることができるのですが、より微細な世界を探索したい場合、光学顕微鏡は無力なのです。細胞よりも小さいものは何ですか?それは原子です。原子はどれくらい小さいのでしょうか？私たちが普段口にする水滴は約0.05mlですが、この水滴には少なくとも100兆個の水分子が含まれており、各水分子は2個の水素原子と1個の酸素原子で構成されています。原子がいかに小さいかがわかります。たとえば銅の場合、1 グラムの銅には 95 兆個の銅原子が含まれています。

実際、原子は細菌や細胞よりもはるかに小さく、既存の光学顕微鏡では見ることができません。では、光学顕微鏡の倍率を上げ続けるだけで十分ではないでしょうか?いいえ、機能しません。それが機能しない理由は、光学顕微鏡の固有の原理によって決まります。

光学顕微鏡は可視光を利用して物体を観察します。可視光とは何ですか?波長は390ナノメートルから780ナノメートルの範囲の光で、原子の直径は10-10メートル程度です。明らかに、原子の直径は光の波長よりもはるかに小さいです。これは拡大の問題ではないことがわかります。なぜなら、原子の直径よりもはるかに大きい波長を持つ可視光は、原子に遭遇すると明らかな回折を起こし、鮮明な画像を形成できなくなるからです。可視光を使って原子を観察することはできないので、その構造をどうやって知るのでしょうか?

可視光線の波長は原子の直径よりもはるかに大きいですが、電子のように波長が原子よりもはるかに小さいものも世の中にはたくさん存在します。

電子の波長は10〜12メートル程度なので、電子を使って原子を観察することは完全に可能です。そして1933年に世界初の電子顕微鏡が誕生しました。電子顕微鏡は従来の光学顕微鏡とはまったく異なります。作動中は、ターゲットに向けて高エネルギーの電子ビームを放射します。これらの電子ビームは接触後にターゲットと相互作用します。電子顕微鏡はこれらの相互作用の効果に基づいて画像を描画します。電子顕微鏡で映し出された画像を通して原子を観察することができます。しかし、電子顕微鏡では原子をグループとしてしか観察できません。個々の原子を詳細に観察することは依然として不可能です。こうして「走査型トンネル顕微鏡」が誕生したのです。

走査型トンネル顕微鏡の基本原理は量子トンネル効果です。

作業時には、原子の先端ほどの大きさのプローブを使用して観測対象に近づき、プローブと観測対象の間に電圧を印加します。両者の距離が短くなると、量子トンネル効果によりトンネル電流が発生します。プローブが観測対象のさまざまな部分をスキャンすると、発生するトンネル電流が変動します。走査型トンネル顕微鏡はこの変動を記録し、画像に描きます。画像を通して、原子がどのように見えるかを直感的に知ることができます。では、走査型トンネル顕微鏡はどのくらい小さいものを見ることができるのでしょうか?その解像度は0.01ナノメートルに達します。このような強力なツールがあるからこそ、肉眼では到底見ることができない微細構造を観察できるのです。

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