Γιατί οι επιταχυντές σωματιδίων είναι τα ισχυρότερα μικροσκόπια

Το ανθρώπινο μάτι έχει πολύ περιορισμένη γωνιακή ανάλυση. Δεν μπορούμε να ξεχωρίσουμε σημεία που απέχουν μεταξύ τους γωνιακή απόσταση 0,02 μοίρες. Αυτό αντιστοιχεί σε παρατήρηση δυο σημείων από απόσταση 30 cm μπροστά από τα μάτια μας που απέχουν μεταξύ τους απόσταση 0,1 mm – περίπου όσο το το πάχος μιας τρίχας. Σε μικρότερη απόσταση τα δυο σημεία επικαλύπτονται.

Τα καλύτερα οπτικά μικροσκόπια μπορούν να διακρίνουν δυο σημεία που απέχουν απόσταση ~200 nm= 2×10-7m, επιτυγχάνοντας έτσι περίπου 1000 φορές καλύτερη ανάλυση από το ανθρώπινο μάτι. Με αυτά μπορούμε να δούμε ακόμα και στο εσωτερικό των κυττάρων:

Υπάρχει όμως ένα όριο. Το μήκος κύματος του ορατού φωτός είναι 700-380 nm. Η καλύτερη δυνατή διακριτική ικανότητα R είναι περίπου το μισό του μήκους κύματος λ (παρότι υπάρχουν σύγχρονες τεχνικές για να ξεπεραστεί αυτό το όριο κατά περίπου μια τάξη μεγέθους).

Η διακριτική ικανότητα ενός οπτικού μικροσκοπίου δίνεται από την σχέση:
R =0,61 \dfrac{\lambda}{n \sin \theta}
όπου λ το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που χρησιμοποιούμε
n o δείκτης διάθλασης του μέσου μεταξύ αντικειμένου παρατήρησης και φακού
φ=το μισό της γωνίας του φωτεινού κώνου που δέχεται ο φακός.
Το γινόμενο n sinφ λέγεται
αριθμητικό άνοιγμα (ΝΑ) του φακού και εξαρτάται από την κατασκευή του φακού.

 Κι εδώ έρχεται η κβαντική φυσική για να μας βγάλει από το αδιέξοδο των οπτικών μικροσκοπίων. Κάθε σωματίδιο αντιστοιχεί σε ένα κύμα με μήκος κύματος λ που ορίζεται από την εξίσωση de Broglie,

\lambda =\dfrac{h}{p}

όπου h είναι σταθερά Planck και p είναι η ορμή του σωματιδίου. Αν επιταχύνουμε, για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο, θα μειώσουμε το μήκος κύματός του και τελικά θα έχουμε καλύτερη διακριτική ικανότητα από ό,τι μπορεί να πετύχει οποιοδήποτε οπτικό μικροσκόπιο.

Πράγματι, τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια μπορούν να διακρίνουν αντικείμενα μεγέθους 10-10 m, στο μέγεθος ενός ατόμου!

Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια χρησιμοποιούν υψηλή τάση για να επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια, επιτυγχάνοντας έτσι τα ζητούμενα μικρά μήκη κύματος. To γεγονός ότι μικρότερο μήκος κύματος αντιστοιχεί σε υψηλότερη τάση, έχει ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια εξαιρετικά υψηλής τάσης να είναι τεράστια:

Όμως το μήκος κύματος μπορεί να μικρύνει κι άλλο αρκεί να αυξηθεί η ορμή – και κατά συνέπεια και η διακριτική ικανότητα.

Η επίτευξη πολύ μεγαλύτερης ορμής σωματιδίων, που να διασπά σωματίδια μικρότερα από ένα άτομο, απαιτεί έναν μεγάλο επιταχυντή σωματιδίων.

Μια άποψη του γραμμικού επιταχυντή στο Stanford (SLAC)

Στους επιταχυντές σωματιδίων μπορεί να συγκρούεται μια δέσμη φορτισμένων σωματιδίων με έναν σταθερό στόχο ή με μια παρόμοια δέσμη σωματιδίων. Έτσι, οι επιταχυντές είναι μια άμεση γενίκευση των μικροσκοπίων με εξαιρετικά μεγάλη διακριτική ικανότητα. Μέχρι σήμερα μπορούν να διερευνήσουν 7 έως 8 τάξεις μεγέθους πέραν του καλύτερου ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.

Τα θραύσματα των συγκρούσεων που καταγράφουν οι ανιχνευτές μας οδηγούν στην αναπαράσταση του πώς είναι ο κόσμος σε αυτές τις μικρότερες κλίμακες, με τον ίδιο τρόπο που ανιχνεύουν τα μάτια μας το ανακλώμενο φως από ένα μακροσκοπικό αντικείμενο, επιτρέποντας στον εγκέφαλό μας να αντιληφθεί μια εικόνα.

Αλλα και οι τωρινοί επιταχυντές περιορίζονται από το μέγεθος και την ισχύ των ηλεκτρομαγνητών τους. Δεν έχουμε εξαντλήσει ακόμη αυτήν την τεχνολογία, αλλά υπάρχουν νέες τεχνολογίες, όπως οι επιταχυντές πλάσματος. Aν καταφέρουμε να εφαρμόσουμε την τεχνολογία αυτή, τότε στο μέλλον τα καλύτερα μικροσκόπια θα μας φαίνονται ‘εξωγήινα’:

πηγή: https://twitter.com/martinmbauer/status/1573762363374927874



Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: , ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: