化學教科書通常包含原子的插圖，但帶有保留條件。這些圖畫描繪了原子核，周圍環繞著電子軌道——模糊的球體、啞鈴、三腳架等等——但這些圖形代表的是在原子核周圍特定位置找到電子的機率，而不是實際的“形狀”。研究人員現在已經成功地對電子軌道進行了成像，並首次表明，在某種意義上，原子確實看起來像教科書上的影像。
具體而言，烏克蘭哈爾科夫物理技術研究所的伊戈爾·米哈伊洛夫斯基及其合作者透過改進一種稱為場發射顯微鏡的舊成像技術，對碳原子中這些軌道的形狀進行了成像。
研究人員製作了一條碳原子鏈，將其懸掛在石墨尖端，然後將其放置在探測屏前。當他們在石墨和螢幕之間施加數千伏的電場時，電子逐個地透過石墨並沿著碳鏈流動，直到電場將它們從鏈中的最後一個原子上拉下來。從電子落在螢幕上的位置，研究人員可以追溯到它們離開最後一個原子上的軌道的點。“機率雲的‘密度’部分更有可能發射電子，來自許多電子的資訊結合在一起形成雲的影像。“我們真的得到了單個原子的影像，”米哈伊洛夫斯基說。
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這些圖片看起來，嗯，就像教科書一樣，儘管只顯示了最外層的軌道，這遮蔽了內部軌道和原子核。透過改變電流強度，該團隊可以將最後一個原子最外層電子的能量從較低的能級切換到較高的能級。相應地，軌道的形狀從球形變為啞鈴形，正如理論預測的那樣。該小組還觀察到電子自發地從一種狀態切換到另一種狀態——原因尚不清楚，米哈伊洛夫斯基說——以及可能由雜質（以其他原子（如氫）的形式存在）引起的更奇怪的形狀。結果發表在十月份的《物理評論 B》上。
科學家以前曾使用工具（如透射電子顯微鏡（將電子射穿物體並測量它們如何偏轉）或掃描隧道顯微鏡（用微小的尖端“感覺”樣品的形狀））對單個原子進行成像。
但原子通常看起來只不過是小斑點。另一方面，場發射顯微鏡將電子從正在成像的物體上拉下來。加州大學伯克利分校的亞歷克斯·澤特爾說，這種差異可能意味著降低了訊號失真和誤解的機會。“這就像直接從原始講述者那裡聽到口語，而不是從翻譯或口譯員那裡聽到，”他說。
除了證實教科書上的藝術作品外，這項技術還可以闡明碳原子鏈的特性，這些特性在很大程度上仍然未知。物理學家懷疑它們可能是優良的導體，機械強度高，並可能在未來的原子尺度計算機中變得有用。