任何顯微鏡都“看”不到原子？

任何顯微鏡都看不到原子 那這些原子的照片是哪來的呢 我們又是怎麼知道原子長啥樣的呢 答案是靠摸 先說點大家都懂的 比如我們頭髮絲的直徑上 大概可以排50萬個原子左右 原子實在太小了 遠比可見光的波長還要小得多多多 小學知識就告訴我們 我們之所以能看到這個蘋果 那是因為光的反射造成的 但初中知識又告訴我們 光它也是電磁波 當物體很小的時候 小到和波長一樣 甚至比波長還小的時候 波的演射就會特別特別明顯 比如最典型的 就是這種紅光穿過小孔 它就不是一個小的圓光斑了 而是很多很大的同心圓環 那這時你就沒法通過光 來準確觀察這個物體原本的樣子了 可見光的波長大概是 380-780納米之間 而原子的大小大概是 0.1納米量級的 你大概可以腦補一下 波長就是尺子的最小刻度 而你用這種毫米級精度的尺子 非要去量一個微米級細菌的長度 臣妾屬實做不到呀 現在最頂級的光學顯微鏡 也只能放大2000倍左右 當然拼信息賣的 可能不是物理學的限製 但你想看到原子 就要放大到200萬倍以上纔行 這種數量級的差距 怕是質子來了也不行 那你說用電子顯微鏡呢 或者用波長更短的 比如紫外線之類的不行嗎 這玩意兒比較復雜 我們最後再講 先來直接說重點 想真正知道原子啥樣 還得用這種掃描隧道顯微鏡 但其實它也看不到原子 掃描隧道顯微鏡原理很簡單 它有個探針 這個探針的頭部特別特別尖 尖到只有一個原子 你說這玩意兒要扎到手 到底是疼死 還是完全沒感覺呢 然後這個探針 就在樣品的上面移動 同時給探針施加電壓呢 下面不是有很多原子嗎 雖然我看不見它 但當探針在移動的過程中 就會產生碎穿電流 比如在這裏是原子的最高點 碎穿電流就最大 慢慢往這邊碎穿電流 就越來越小直到沒了 再往這邊又有了 最後我們就可以 根據探針在不同的位置 畫一個它的電流大小曲線圖 以此來猜測出 這個原子的排列狀態 是不是特別像探測地雷 你把這一片都掃一遍 你就知道地雷的分佈了 但你實際上並沒有看到它們 當然你也可以反過來 控制探針上下移動 讓電流保持不變 這樣就等於你在給原子描邊 進而知道原子的位置大小等 這就好比盲人摸象 用手摸出它的大小和形狀 但不管哪種方式 它也壓根算不上 我們常規理解的顯微鏡了 掃描隧道顯微鏡 不僅可以通過這樣的方式觀測原子 還可以通過針尖和單個原子的相互作用 來移動原子 是不是很牛逼 德國物理學家戈爾德·賓尼格 和瑞士物理學家海因裏希·羅勒 在1981年就發明瞭這東西 因此兩人還獲得了諾貝爾物理學獎 你可別看這玩意結構很復雜的樣子 其實普通人也能造一個 比如B站大佬機械小熊貓 就靠3D打印機做了一個 油管上也有很多大佬自製了這東西 當然精度肯定沒那麼高 最後我們再來說說 這個比較復雜的電子顯微鏡 電子當然也有波長 也就是W1波長 它比可見光小了10萬倍左右 和光學顯微鏡比 那何止是一個遙遙領先 但是這個波長 依然還是和原子的尺寸 屬於一個量級的 所以就像我們開頭說的 它依然會產生眼射 而電子顯微鏡 其實就是靠眼射來觀測樣品的 我們拿透射電子顯微鏡Time 來簡單舉例 你先得要把觀察的樣品切片 厚度大概要在50納米左右 所以做這個樣品就極其繁瑣 然後電競射出的高能電子束 穿過樣品 有的位置電子束就直接穿過去了 有的位置就產生了眼射 這個具體和樣品的密度和厚度都有關系 然後直接穿過去的電子束 就會投射出一個圖像 眼射的電子束也會投射出圖像 多個圖像經過電磁透鏡等等 放大之後就可以看了 但是這麼多圖像到底看哪個呢 其實哪個都不是樣品的真實圖像 更像是樣品的不同的影子 所以它也沒有顏色 你看到的顏色都是後期加的 用過電競的可能都知道 這玩意有眼射模式 成像模式 成像模式又分為明場暗場模式 說白了就是 其實你可以切換著看 雖然電競也能觀察到原子 但也不算我們常規意義上的看到原子 而且也只能一覽眾山小 一片一片的原子 完全看不清單個的原子 當然這玩意具體要比我說的複雜 N不雅 我也只是講個大概的成像原理 所以說 所有的顯微鏡都做不到真正意義上的看到原子 至於你看到這樣的原子圖片 那就完全是靠理論結合想象畫出來的