顕微鏡で見える原子もしくは分子は

Question

走査トンネル顕微鏡やら電子顕微鏡やらよく分かりませんが、原子や分子が見える顕微鏡があると思います。

「見える」という行為は不確定性原理には反しないのでしょうか？

実は見えにくいが不確定性原理に反しない程度にブルブル震えているのでしょうか？

回答よろしくお願いします。

etcetera · Accepted Answer

人が見えるとは、目で確認できることです。

顕微鏡は、肉眼で見えない（見えにくい）物を、拡大して（モニターや写真などにより）見えるようにする装置です。

拡大する原理は、顕微鏡により異なり、同じ試料でも、見え方は異なります。

ＳＴＭでは、原子の周りの電子の状態（状態密度）、概念的には電子雲の状態（表面の電子雲の並び）を観察しています。原子核から0.1nm程度離れた軌道状で運動している電子は、原子間距離に近い距離なので、ドーム状の連なりとして、像が確認されます。原子は振動していますが、固体であれば、わずかな距離で、しかも測定に対して高速に振動しているため、平均的な電子状態として、STMでは観察されます。
キセノン分子の観察は、極低温にして分子が動きにくくして測定しています。

透過型の電子顕微鏡では、電子が通過しやすい所と、通過しにくい所を、影絵として拡大して映し出します。原子核近傍は、電子が真っ直ぐ通過できないので、影ができます。一般的には整然と配列した原子の重なりが、電子の進む方向とそろった時に、きれいな配列が観察されます。この場合も、原子は振動していますが、固体であれば、わずかな距離で、しかも測定に対して高速に振動しているため、平均的な原子の位置を示します。

sekisei · Answer

不確定性原理はNo4さんの言われる通り位置と運動量を”同時”に無限に正確には測れないということができます。
ですから極端な話し、運動量を無視して位置だけを無限に正確に測定することは禁止していません。

今回の顕微鏡の場合は運動量は測定せずに位置だけの測定ですから不確定性原理に反していません。
また原子レベルより詳細な像は写ってないですからある程度の位置の不確かさはあります。

ちなみに”ブルブル震えている”はイメージとしては良いのですが厳密には違います。

astra0641 · Answer

結晶のＸ線回折ピークが、なんでシャープに出てくるか考えられたことがありますか？
結晶中の原子は平衡点の回りを零点振動、もしくは熱振動で運動していますから、ある瞬間にみたら、格子からのランダムな乱れがあって、回折ピークはブロードになりそうですよね。
これは２０世紀前半に物理学者を悩ませた問題で、名前を失念していますが、だれかが、振動の効果はピーク強度を弱めることでブロードニングは起こさないことを計算で示すまでは大きな謎でした。
ご質問の顕微鏡も、おそらく同様かなと思います。たとえば、ＳＴＭで最初に見られたシリコン表面の場合、表面の原子は、平衡点の回りで振動しており、不確定性関係が成り立つ範囲で、その振幅と速度が定まっているはずです。原子の振動はＳＴＭのプローブの移動速度よりは多分早いので、ＳＴＭプローブは平均としての原子像を観察しているだろうと思います。
表面の分子を見た例としてはIBMが金属基板上にキセノン分子でIBMのロゴを作った例があります。この場合には、不確定性関係は、顕微鏡の分解より、むしろ、キセノンが基板の希望の位置に安定に存在するかに効いているはずですが、観察されているところからすると、定量的にＯＫだったのでしょう。
不確定性関係とぶるぶるの問題は、定量評価しないと議論しにくい話で、ファインマンが分子サイズの機械を作る話をしたときも、不確定性関係から、不可能であるという批判がおこったはずですが、ＩＢＭのロゴなどをみていると、ファインマンの方が正しかったと感じるしだいです。

sesekatsu · Answer

>だったらブルブル震えているのでは？
お気持ちは解りますが、ブルブル震えるエネルギーは何処から来るのでしょうか？
まあ、実施、どうゆう振る舞いをしているかは、誰も見た事が無い物で解りませんが・・

ブルブル動いていて計測不可な訳ではありません。
測定能力がどんなに向上しても、二つの物理量をプランク定数より精度よく同時に測定が不可能であるというのが不確定性原理です。
一つの物理量であれば、測定方法、測定装置、測定誤差の範囲で、正確な測定は可能だと思います。

sesekatsu · Answer

>見えるということはその位置を確定しているのではないのでしょうか？
はい、そうです。
その時、その観察対象の運動量を正確に測定できません。
それぞれの不確かさは、必ずプランク定数以上になるというのが不確定性原理です。
位置と運動量は個別に測定可能なのです。
詳しくは、書籍などでご確認下さい。

参考URL：http://homepage2.nifty.com/einstein/contents/relativity/contents/relativity3055.html

ssk0723 · Answer

反しない。
というか電子顕微鏡というのは簡単にいうと、観察対象にあてたり、透過させた電子の密度やらエネルギーを発射前の電子と比較して画像に変換する装置なので、
不確定性原理でうたっている位置と運動量を同時に正確に測定することは出来ないという事とは関係ないでしょう。

sesekatsu · Answer

不確定性原理とは、例えば粒子の位置と運動量を一度に正確に測定できないという不確定さであって、測定ができない事を意味しません。
原子や分子の大きさになると、可視光線の波長より対象が小さくなるので電子の波長を使って測定するのが電子顕微鏡です。
電子と物体の相互作用から得られる電子密度を測定します。
電子を突き通す透過型電子顕微鏡と、電子を反射させる走査型電子顕微鏡が代表的です。
原子のレベルまで測定可能な顕微鏡は特殊なものです。

原子のモデルとしてパチンコ玉を並べたような図が多いので、こんな勘違いをすると思います。

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/不確定性原理

voussortez · Answer

＃２です、
＞カーボンチューブ
入力間違いで、

＜カーボン　ナノ　チューブと訂正して呼んでください。
すみませんでした。

voussortez · Answer

カーボンチューブの中で動く分子？を何処かの番組で映像を紹介していたような気がします。
http://www.asahi.com/science/news/TKY200702220367.html

N64 · Answer

たぶんそうだと思います。不確定性原理に反するほど小さなものは、光源の影響で、吹っ飛んでしまうのでしょう。高分子が見えた、というニュースをテレビで見ましたが、あれは、十分大きいのではないかと思います。

顕微鏡で見える原子もしくは分子は

人が見えるとは、目で確認できることです。

不確定性原理はNo4さんの言われる通り位置と運動量を”同時”に無限に正確には測れないということができます。

結晶のＸ線回折ピークが、なんでシャープに出てくるか考えられたことがありますか？

>だったらブルブル震えているのでは？

>見えるということはその位置を確定しているのではないのでしょうか？

この回答への補足

反しない。

この回答への補足

不確定性原理とは、例えば粒子の位置と運動量を一度に正確に測定できないという不確定さであって、測定ができない事を意味しません。

この回答への補足

＃２です、

カーボンチューブの中で動く分子？を何処かの番組で映像を紹介していたような気がします。

たぶんそうだと思います。

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