Czy atom można zobaczyć przez mikroskop?

Pytanie

Pyta Jerzy

Czy zasada nieoznaczoności Heisenberga uniemożliwia zobaczenia atomu przez mikroskop elektronowy lub optyczny?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Weźmy jako przykład atom wodoru, którego rozmiar jest rzędu promienia Bohra $a = \hbar/(mc\alpha)$, gdzie $m$ jest masą elektronu, $c$ prędkością światła, a $\alpha$ stałą struktury subtelnej wynoszącą około 1/137. Średni pęd $p$ elektronu na orbicie jest rzędu $mc\alpha$, a energia wiązania rzędu $p^2/m$. Widać, że $a p$ jest rzędu $\hbar$.

„Zobaczenie” struktury atomu przez mikroskop elektronowy lub optyczny wymagałoby użycia cząstek (elektronów lub fotonów) o długościach fali $\lambda$ znacznie mniejszych od $a$. Ich pędy byłyby wtedy znacznie większe od $\hbar/a$, a energie kinetyczne znacznie większe od energii wiązania atomu. Zatem oddziaływanie doprowadziłoby do destrukcji atomu. Oznacza to, że struktury atomu nie da się „zobaczyć” przez żaden mikroskop.

W powyższym rozumowaniu nie było odwołania do zasady nieoznaczoności Heisenberga, więc trudno powiedzieć, że ostateczny wniosek z niej wynika. Fakt, że $a p$ jest rzędu $\hbar$ nie wynika z zasady nieoznaczoności, lecz raczej z rozwiązania równania Schroedingera dla rozważanego atomu. Sama zasada nieoznaczoności nie jest fundamentalnym prawem fizyki, a jedynie wnioskiem z bardziej podstawowych praw.