原子显形
时间:2010-02-10 08:57 来源:《环球科学》2010年第01期
化学课本上常有描绘原子的插图，但往往又提醒读者这并非真实的原子图像，研究人员现在已经设法拍到了电子轨道的图像，从某些意义上说，原子看上去和课本上的插图一样。
利用新技术获得单个原子的电子轨道图像。
撰文/达维德·卡斯泰尔韦基（Davide Castelvecchi）
化学课本上常有描绘原子的插图，但往往又提醒读者这并非真实的原子图像。原子在这些插图中的形象通常是：原子核居中，核外被电子轨道围绕；这些电子轨道形成弥散的电子云，形状从球形到纺锤形再到三叶形不等。但是，这些电子云所表示的只是原子核周围不同位置上发现电子的概率大小，并非原子真实的“形状”。研究人员现在已经设法拍到了电子轨道的图像，这些图像首次证明，从某些意义上说，原子看上去真的就和课本上的插图一样。
确切地说，是乌克兰卡尔科夫物理及技术研究所的伊戈尔·米哈伊洛夫斯基（Igor Mikhailovskij）及其同事，通过改进一种名为“场致发射显微术”（field emission microscopy）的古老摄影技术，获得了碳原子中电子轨道的最新图像。
这些科学家制造了一条碳原子链，让它悬垂在一块石墨的尖端，然后把它放置在探测屏前方。当他们给石墨和探测屏之间加上几千伏的高压电场时，电子会一个接一个从石墨流向碳原子链，直到电场将它们从链端最后一个碳原子中拉扯出来。从电子最后落在观测屏上的位置，研究者可以往回追溯它们离开链端原子电子轨道的那一点。轨道电子云越“浓密”，这一点发射电子的机会就越大，因此结合大量电子的发射信息，就可以得到一张电子云的图像。用米哈伊洛夫斯基的话说，“我们得到了一张货真价实的单原子图像”。
尽管只显示了包裹在原子核和内层轨道之外的最外层轨道，这些照片看上去还是与课本上的插图如出一辙。通过改变电流密度，该研究小组可以改变链端原子最外层电子的能级，让它从低能级跃迁到高能级。在这个过程中，轨道的形状也相应地从球形变成了纺锤形，与理论预测一致。他们还观察到原子会自发地从一个状态转变到另一状态（米哈伊洛夫斯基说，原因目前尚不明确），另外还会呈现一些奇怪的形状，这可能是受到氢原子之类杂质的影响。他们的研究结果发表在2009年10月出版的《物理评论B卷》上。
在此之前已经有科学家给单个原子成像，利用的是电子显微镜（electron microscope，通过向物体发射电子并测量电子的反射情况给物体成像）或扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，利用微小探针的尖端“探知”物体的形状），但那些图像中的原子大多是一团模糊的小斑点。场致发射显微镜则不同，它探测的是直接从被成像物体中拉扯出来的电子。美国加利福尼亚大学伯克利分校的亚历克斯·策特尔（Alex Zettl）认为，这可能意味着成像更不容易被扭曲，信号也更不容易被曲解。他说：“这就好比直接从当事人那里听到他的亲口描述，而不是经过翻译或者转述。”
除了验证课本上原子插图的正确性，这项技术还能用于研究碳原子链的性质。尽管物理学家推测碳原子链会有很好的导电性、优异的力学强度，并会在未来的原子尺度计算机中发挥作用，但它的大部分性质仍有待场致发射显微镜这样的新技术去进一步探索。
（译/庞玮 校/虞骏）
|
