מה הגודל של הדבר הקטן ביותר שנראה במיקרוסקופ אלקטרוני?

מיקרוסקופ אלקטרונים יוצר תמונות בעזרת קרן אלקטרונים במקום אור, והוא יכול להראות אטומים בודדים. נכון ל-2026, מיקרוסקופי האלקטרונים הטובים ביותר מצליחים להבחין בפרטים שהמרחק ביניהם כ-20 פיקומטרים, כחמישית מרוחבו של אטום מימן. פיקומטר הוא טריליונית המטר.

גודל

המספר הזה הוא כושר הפרדה, ולא גודלו של עצם. כושר ההפרדה של מיקרוסקופ הוא המרחק הקטן ביותר שבו שתי נקודות עדיין נראות כשתי נקודות נפרדות ולא ככתם מטושטש אחד. הדברים הקטנים ביותר שמיקרוסקופ אלקטרונים מראה הם אטומים בודדים, והמכשירים הטובים ביותר מפרידים כיום בין פרטים שהמרחק ביניהם הוא חלק קטן מרוחבו של אטום.

פגמים בעדשות המגנטיות שמרכזות את קרן האלקטרונים הגבילו בעבר את התמונות החדות ביותר לכ-100 פיקומטרים. התקני תיקון לעדשות שינו זאת. ב-2008 חשפה המעבדה הלאומית לורנס ברקלי את TEAM 0.5, מיקרוסקופ שתוכנן להגיע לחצי אנגסטרום, כלומר 50 פיקומטרים. צוות המיקרוסקופ דיווח מאוחר יותר שהצליח להפריד בין זוגות של אטומי גרמניום שהמרחק ביניהם 47 פיקומטרים.

שיטת מחשב בשם פטיקוגרפיה אלקטרונית שיפרה אחר כך את השיא עוד יותר. צוות באוניברסיטת קורנל הגיע ל-39 פיקומטרים ב-2018, ולכ-20 פיקומטרים ב-2021. ב-2024 דיווח צוות מאוניברסיטת צינגהואה בסין על הבחנה בפרטים עד למרחק של 14 פיקומטרים, לפי מדד אחר של כושר הפרדה. השיא המדויק תלוי באופן שבו נמדד כושר ההפרדה.

השוואות גודל

• אטום מימן, ברוחב של כ-0.1 ננומטרים, רחב בערך פי חמישה מהפרט העדין ביותר שהמיקרוסקופים האלה מצליחים להבחין בו.
• אילו אטום מימן הוגדל לגודל של כדור כדורסל, ברוחב של כ-24 סנטימטרים, המיקרוסקופ היה מצליח להבחין בפרטים שהמרחק ביניהם כ-4.5 סנטימטרים.
• מיקרוסקופ אור רגיל אינו מסוגל להפריד בין פרטים שהמרחק ביניהם קטן מכ-0.2 מיקרומטרים. זה פי 10,000 מהמרחק שמיקרוסקופי האלקטרונים הטובים ביותר מסוגלים להפריד. מיקרומטר הוא מיליונית המטר.
• 20 פיקומטרים הם 0.2 אנגסטרומים. אורכם של קשרים בין אטומים הוא בדרך כלל 1–2 אנגסטרומים, פי 5 עד 10 מהפרט העדין ביותר שמצליחים להבחין בו.
• ברוחבה של שערת אדם היו נכנסים כ-4–5 מיליון מהפרטים העדינים ביותר שניתן להפריד.

מדוע אלקטרונים מראים פרטים עדינים יותר מאור

מיקרוסקופים רגילים אינם מצליחים להפריד בין פרטים קטנים בהרבה מאורך הגל של האמצעי שבו הם משתמשים כדי לראות. אורך גל הוא המרחק מפסגה אחת של גל לפסגה הבאה. במיקרוסקופ אור רגיל הגבול הוא כ-0.2 מיקרומטרים, כפי שחישב ב-1873 ארנסט אבה, מומחה למיקרוסקופיה.

גם אלקטרונים מתנהגים כגלים, ואורכי הגל שלהם קצרים בהרבה משל האור. לאלקטרונים המהירים שמשתמשים בהם במיקרוסקופים רבים כאלה יש אורך גל של כ-2 פיקומטרים. באופן עקרוני, זה מאפשר פרטים עדינים בהרבה ממה שהאור היה יכול לאפשר אי פעם. בפועל, עדשות פגומות השאירו את מיקרוסקופי האלקטרונים רחוק מאוד מהגבול הזה, והתקני התיקון ושיטות המחשב צמצמו מאז את הפער.

כיצד נוצרות התמונות החדשות ביותר

פטיקוגרפיה אלקטרונית אינה נשענת על עדשות בלבד. המיקרוסקופ סורק את הדגימה בקרן שלו בנקודות חופפות, ורושם בכל נקודה איך האלקטרונים מתפזרים. לאחר מכן אלגוריתמים מחשבים איזה מבנה של דגימה היה יוצר את הדפוסים האלה, ובונים מהם מחדש את התמונה.

התמונות מקורנל מ-2021 הראו גביש מוגדל פי 100 מיליון. ברמת פירוט כזו, הטשטוש העיקרי שנותר נובע מהאטומים עצמם, שרוטטים ללא הפסקה בגלל החום. ראש הצוות, דיוויד מולר, תיאר זאת כגבול סופי של כושר ההפרדה, למעשה.

מקורות

• Highest Resolution Microscope. Guinness World Records, 2021.
• Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations. Chen et al., Science, 2021.
• Cornell Researchers See Atoms at Record Resolution. Cornell Chronicle, 2021.
• Electron Microscope Detector Achieves Record Resolution. Cornell University College of Arts and Sciences, 2018.
• Imaging Thick Objects with Deep-Subangstrom Resolution and Deep-Subpicometer Precision. Yang et al., Science Advances, 2026.
• Local-Orbital Ptychography for Ultrahigh-Resolution Imaging. Yang et al., Nature Nanotechnology, 2024.
• Electron Microscope Attains 50-Picometer Resolution. Physics Today, 2009.
• Debut of TEAM 0.5, the World's Best Microscope. Lawrence Berkeley National Laboratory, 2008.
• The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press Release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• Bohr Radius. NIST, CODATA 2022.
• Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.