Что мы увидим если посмотрим на молекулу или атом в оптический микроскоп?

Всем людям, а тем более школьникам, хорошо знакомы картинки типа той, что приведена выше. Однако увидим ли мы что-то подобное если будем смотреть на молекулу или атом даже через самый крутой оптический микроскоп?

Мы знаем, что существуют такие оптические приборы как микроскопы. Эти устройства позволяют рассмотреть очень маленькие объекты. В них можно рассмотреть клетки живых организмов и даже их внутреннюю структуру, а также многое другое из того, что не видно обычным глазом. Но можно ли шагнуть дальше, и увидеть молекулы из которых состоят клетки?

Строго говоря, у всех микроскопов есть некоторый предел, до которого они могут увеличивать картинку, или другими словами, насколько маленький объект в них можно рассмотреть. И сразу честно признаемся, что не существует такого оптического микроскопа, в который можно было бы рассмотреть объект такой же маленький как одна молекула или атом. Этому препятствуют некоторые фундаментальные законы оптики.

Однако предположим всё же, что нам удалось добыть микроскоп с таким шикарным разрешением, что он готов был бы нам показать такой же маленький объект как одна молекула или атом. И вот мы навели этот микроскоп на один единственный атом или молекулу, что же мы увидим?

Ответ очень прост: фактически ничего. Дело в том, что свет состоит из фотонов. И чтобы увидеть какой-либо объект в микроскоп или даже просто глазом, и чтобы рассмотреть его структуру, нам необходимо чтобы много фотонов отражались одновременно от различных частей данного объекта и в изобилии попадали после этого в окуляр оптического прибора либо к нам в глаз. Конечно возможна также ситуация, что объект сам светится т.е. излучает фотоны. Смысл остаётся тем же, много фотонов от различных частей объекта должно одновременно попадать в оптический прибор.

Но молекулы или атомы взаимодействуют с фотонами по-другому. Они не отражают их. Молекулы и атомы умеют только поглощать или испускать фотоны. А чаще всего фотоны вообще пролетают мимо молекул и атомов не взаимодействуя. Одновременно атом или молекула излучает обычно всего только один фотон, который после этого летит в непредсказуемом направлении. К тому же, для того чтобы молекула или атом излучила фотон, нужно чтобы она (или он) сначала поглотили другой фотон.

Таким образом, наш эксперимент по наблюдению молекулы в микроскоп выглядел бы так: мы освещаем светом атом или молекулу, но большинство фотонов пролетает мимо исследуемого атома или молекулы. Затем в некоторый момент, один из фотонов все же поглощается, а через некоторое время атом или молекула излучают в непредсказуемом направлении аналогичный фотон (частенько кстати, он летит в ту же сторону, откуда прилетел ранее поглощенный фотон).

Таким образом, этот единственный фотон, излученный молекулой или атомом, мы вряд ли сможем отличить от той подсветки, которой светим на исследуемый объект, т.е. миллиардов других таких же фотонов, летящих рядом. А если молекулу не подсвечивать, то излученного ею фотона возможно придется ждать очень долго.

Но даже если мы и сможем отделить фотон, вылетевший из молекулы, от фотонов подсветки, то тем не менее, лучшее, чего мы можем ожидать от молекулы или атома, на которые смотрим в оптический микроскоп, так это то, что в некоторый непредсказуемый момент, она (или он) всё же излучит в сторону окуляра микроскопа один фотон. Глазу человека недостаточно одного фотона чтобы увидеть хоть что-то. Но микроскоп вероятно можно сделать таким, что он сможет засечь и усилить сигнал, полученный при попадании одного единственного фотона.

В любом случае лучшее что мы получим при наблюдении молекулы или атома в самый крутой оптический микроскоп, так это исчезающе маленькие и редкие вспышки света, длящиеся в течении ускользающего мгновения, возникающие в непредсказуемые моменты. Эти вспышки при этом никак не будут визуально отражать структуру молекулы или атома (хотя их спектр и будет содержать некоторую информацию о ней), и мы так и не увидим картинки подобной тому, что приведена выше. Вообще говоря, картинка выше это лишь плохая визуализация внутренней структуры атома, которая была исследована с помощью других методов, но никак не с помощью оптического микроскопа.