Die Fragen, ob Sie detect-Licht von einem (isolierten) Atom emittieren können und ob Sie resolve ein Atom von seinen Nachbarn können, sind völlig unabhängig.

Der Abstand zwischen verschiedenen Atomen in einem regulären Material kann mit sichtbarem Licht, dessen Wellenlänge mehrere tausend Mal größer ist, nicht aufgelöst werden. Sie können einzelne Atome mit anderen Mikroskopietechniken "sehen" (siehe z. B. diesen Kurzfilm für ein schönes Beispiel), aber diese verwenden eine ziemlich ausgefeilte Instrumentierung und Nachbearbeitung und spiegeln nicht wider, was ist mit bloßem menschlichen Auge sichtbar.

Das Bild, das Sie zitieren, zeigt jedoch nicht ein Atom von vielen in einem Material. Stattdessen handelt es sich tatsächlich um ein einzelnes isoliertes Atom, das von einer elektrischen "Pinzette" im Vakuum gehalten wird, die als Ionenfalle bezeichnet wird (selbst erzeugt durch die Metallelektroden, die das Atom umgeben und ein Paar sein werden) von Zentimetern Durchmesser), und das Licht über Fluoreszenz emittiert (dh es wird von einem Laser angeregt und emittiert dieses Licht erneut). Die Größe des Atoms, wie es auf dem Bild erscheint, hat nichts mit seiner tatsächlichen Größe zu tun: Für die Kamera ist das Atom eine Punktquelle, und die Ausbreitung ungleich Null im Bild wird durch die endliche Auflösung des Atoms verursacht Kamera.

Unter der Annahme, dass das eingeschlossene Atom hell genug ist, könnte es im Prinzip mit bloßem Auge gesehen werden. In diesem Fall würde es in einer klaren, stillen Nacht (die auch Punktquellen sind) einem Stern ähneln Unsere Augen sind besorgt, obwohl sich ihr Aussehen dann durch Funkeln ändert. Ob die tatsächlich verwendeten experimentellen Konfigurationen ausreichen, um Atome zu erzeugen, die hell genug sind, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, ist eine gute Frage; Mein Verständnis ist, dass dies nicht ganz möglich ist, aber dass es mit einem völlig dunklen Hintergrund nicht so weit außerhalb der Reichweite ist.

Das bedeutet, dass ein Mensch nicht gleichzeitig das Atom selbst und die Fallenelektroden sehen kann, da Sie einen völlig dunklen Hintergrund benötigen, um das Atom sehen zu können. In Bezug auf die Kamera hat der Autor in einem Kommentar klargestellt, dass es sich um eine einzelne Belichtung von 30 Sekunden handelt, wobei die Elektroden in der Mitte der Belichtung von einem Kamerablitz beleuchtet werden.

Um Ihre erweiterte Frage zu beantworten,

Wenn dieses einzelne Atom dort von einem Feld gehalten wird, warum sind die Atome dieses Feldes nicht sichtbar?

Die Antwort ist, dass das Feld, das es aufhält, überhaupt nicht aus Atomen besteht. Das Atom auf dem Bild wird durch elektrostatische Kräfte an Ort und Stelle gehalten. Dies sind die gleichen Kräfte, mit denen Sie Papierstücke mit einem Ballon hochziehen, den Sie an Ihren Haaren gerieben haben. Elektrostatische Kräfte, wie magnetische Kräfte und Schwerkraft, sollen ein Feld bilden, aber es ist ein Kraftfeld, das nur Kraft und keine Atome ist. Der Effekt ist hier analog zu Magnetschwebebahn, außer dass Sie anstelle von Magneten elektrische Felder (sorgfältig konstruierte Felder, die von den Metallelektroden erzeugt werden, die das Atom im Bild umgeben) verwenden.

Um fair zu sein, wird dies in Ihrem Link erklärt.Einfach ausgedrückt:

Wenn Sie es mit dem richtigen Licht beleuchten, beginnt es so hell zu leuchten, dass eine gute Kamera es erkennen kann.

Damit es funktioniert, muss das Atom so bewegungslos wie möglich sein.Dies wird erreicht, indem es "eingefroren" wird und Magnete verwendet werden, um es ruhig zu halten.

Der Vollständigkeit halber Nahaufnahme:

Während die Physik bereits in anderen Antworten behandelt wurde, möchte ich Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie Sie einem 4-Jährigen den Unterschied zwischen Erkennung und Auflösung erklären können:

Versuchen Sie eine Analogie. Etwas, das Sie nicht einzeln lösen können, aber ziemlich leicht sehen können. Das erste, was mir in den Sinn kommt, sind Lichter in der Ferne. Eine Reihe von LEDs in einiger Entfernung könnte dies tun, Ihr Computer- / Fernsehbildschirm, einer dieser großen Bildschirme, die Sie an Gebäuden finden können, die beleuchteten (oder dunklen) Fenster eines weit entfernten Hauses, Buchstaben auf einem Blatt Papier und wahrscheinlich ein viele Dinge, an die ich jetzt nicht denken kann.

Das Prinzip bleibt gleich: Wählen Sie die richtigen Lichtverhältnisse und den richtigen Abstand und es ist leicht zu erkennen, ob ein einzelnes "Pixel" leuchtet oder nicht. Aber können Sie zwischen einem oder zwei Pixeln unterscheiden? Können Sie die Pixel zählen, wenn alle beleuchtet sind (ein Computerbildschirm ist wahrscheinlich perfekt für diesen)? Können Sie erkennen, wo ein Pixel endet und wo ein anderes beginnt?

Ok, die Analogie erklärt nicht die Auflösungsgrenzen, aber ich denke, mit einem 4-Jährigen kann man ein gutes Gefühl für den Unterschied zwischen Erkennung und Auflösung bekommen und für "Wenn ich genauer hinschaue, sehe ich mehr Details." - aber vielleicht kann ich ohne viel Aufwand nicht genau genug hinsehen ".

Als ich meinem 8-Jährigen gerade erklärte, was Atome sind (es stellte sich heraus, dass sie bereits wusste, dass ihnen in diesen Tagen vor diesem Alter sowieso so wenig Informationen in der Schule beigebracht wurden), habe ich einfach den guten alten griechischen Ansatz gewählt - Stellen Sie sich vor, Sie nehmen ein Stück Kuchen, teilen es in zwei Teile usw. usw. Ich stellte fest, dass ein 8-Jähriger das Konzept verstehen kann, dass man irgendwann "Zeug" nicht mehr teilen kann. Ich habe dort angehalten, weil a) sie noch nichts über Protonen, Elektronen oder sogar Quarks wissen muss und b) das Bild der alten Philosophen immer noch wahr ist. Die Aufteilung der Materie (Atome) auf Makroebene auf diese Weise, bis Sie die atomare (oder molekulare) Ebene erreichen, unterscheidet sich grundlegend von der weiteren Aufteilung der Atome in ihre Bestandteile.

Für einen 4-Jährigen müssen Sie dies stark vereinfachen. Verwenden Sie einfach die Waage. Zeigen Sie ihnen ein kleines Sandkorn, das Sie mit dem Auge kaum sehen können. Dann legen Sie das Sandkorn auf einen Tisch und gehen Sie mit Ihrem Kind weg. Weisen Sie darauf hin, dass sie es jetzt nicht mehr sehen kann. Dies sollte ihr eine Vorstellung davon geben, dass es darauf ankommt, wie nahe Sie dem Objekt sind.

Wenn Sie eine Lupe in Ihrem Haus haben, können Sie zeigen, wie groß das Sandkorn aussieht, wenn Sie es durchschauen.

Im Übrigen ist es eine einfache Analogie: "Nun, Atome sind einfach so, aber viel, viel, viel kleiner. Und in der Vergangenheit, als ich Ihnen sagte, dass wir sie nicht sehen können, gab es keine Lupen, um die herum gut waren genug. Aber vor kurzem haben sie einige erfunden, die es können! " Oder wenn das wie eine Lüge klingt (ich weiß nicht, ob es in den letzten 1-2 Jahren, seit Sie es Ihrem Kind erzählt haben, Durchbrüche in diesem Bereich gegeben hat ...), sagen Sie etwas wie "Sicher, diese Leute haben Lupen, die sind so groß wie ein Raum, sie können Atome sehen, aber wir hier können nicht. "

Sie und ich wissen beide, dass dies eine grobe Vereinfachung ist, aber wir sprechen über das Weltbild eines 4-Jährigen.Sie braucht noch kein vollständiges Verständnis von Quanteneffekten, Photonen, die mit Atomen interagieren, und dergleichen.Das Obige gibt ihr die Konzepte, ist nicht völlig falsch und kann viel später ausführlicher behandelt werden.

Oh, und offensichtlich gibt es viele Menschen da draußen, die jugendlich oder sogar erwachsen sind und nicht die geringste Chance haben, die "echten" Erklärungen mehr zu verstehen als ein 4-jähriger.Für diese können ähnliche Erklärungen auch gut funktionieren.

In der typischen Erfahrung auf menschlicher Ebene sind Atome nicht allein. Sogar die Atmosphäre hat riesige Mengen an Atomen in einem winzigen Volumen. Wenn Sie Licht hell genug scheinen, um auf ein Luftvolumen (oder ein festes Objekt) zu sehen, wird das Licht gleichzeitig von großen Mengen von Atomen reflektiert. Menschliche Augen können nicht zwischen Licht und einzelnen Atomen unterscheiden, sie verschmelzen miteinander. Wenn Sie einen Fernseher aus der Nähe betrachten, können Sie einzelne Pixel (oder sogar Unterpixel) sehen. Wenn Sie von weiter weg schauen, sehen Sie immer noch alle Pixel, aber Sie können sie nicht leicht voneinander unterscheiden.

Stellen Sie sich nun vor, dass von den Millionen Pixeln auf dem Fernsehbildschirm bis auf eines alle schwarz sind. Obwohl die einzelnen Pixel normalerweise "zu klein zum Sehen" sind (unterscheiden Sie sich von anderen Pixeln in der Nähe), hebt sich ein Pixel deutlich vom schwarzen Hintergrund ab. Und genau das haben diese Leute mit Atomen gemacht - halten Sie ein einzelnes Atom von anderen Atomen fern und strahlen Sie ein Licht aus. Das Atom ist immer noch viel "zu klein, um es zu sehen", aber es zeigt sich als verschwommener Fleck ( viel größer als das Atom selbst), da es wenig Rauschen gibt. Und genau wie bei den Pixeln auf dem Fernseher würden Sie keinen Unterschied sehen, wenn Sie zwei Atome nahe beieinander platzieren - es würde immer noch wie ein einzelnes Atom aussehen. Tatsächlich würden Sie sehr große Mengen an Atomen zusammen benötigen, um deutlich zu machen, dass Sie nicht mehr auf das "sichtbare Einzelatom" schauen.

Mit anderen Worten, "zu klein zum Sehen" bedeutet nicht wörtlich zu klein zum Sehen.Wenn Sie das von einem Objekt reflektierte Licht betrachten, "sehen" Sie Atome, Moleküle und sogar einzelne Elektronen (so viel Sie ohnehin über die Identität eines Elektrons sprechen können - denken Sie mehr an "ein Elektron in einem bestimmten Orbital").nicht "Elektron namens Bob"; Elektronen haben nicht wirklich Identitäten).Die wörtliche Bedeutung der Aussage ist "zu klein und zu nahe beieinander, um voneinander unterschieden zu werden".Wenn Sie nachts aus einem Flugzeug schauen, können Sie die beleuchteten Städte klar sehen, ohne einzelne Straßenlaternen auflösen zu können - obwohl all diese Beleuchtung von solchen Lichtquellen kommt.

Selbst am helllichten Tag können Sie keine Glühbirne sehen, die Hunderte von Metern von Ihnen entfernt ist.Nachts, wenn eingeschaltet, können Sie jedoch. Wir sehen nicht das einzelne Atom, sondern das vom Atom emittierte Licht.

Besorgen Sie ihm eine Lupe und vielleicht sogar ein Kindermikroskop.Er wird immer noch keine Atome sehen können, aber er wird auf die Idee kommen, dass es Dinge gibt, die zu klein sind, um mit dem Auge gesehen zu werden, die man aber immer noch mit der richtigen Vergrößerung sehen kann.Dann müssen Sie nur noch sagen, dass diese Leute "wirklich gute, wirklich teure Mikroskope" haben.