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原子是一种非常小的微粒，这是我们都知道的，那原子究竟小到了什么程度呢？我们不妨来简单计算一下，看看1克铜含有多少个铜原子。 在元素周期表中可以看到，铜的相对原子质量为63.55，也就是说1摩尔（mol）的铜的质量为63.55克，根据定义，1摩尔的铜含有大约6.02 x 10^23个铜原子，据此我们可以计算出，大约每1克铜就有95万亿亿个铜原子。 真是“不算不知道，一算吓一跳”，原来原子居然这么小，区区1克的铜，就含有数量如此庞大的铜原子。那么问题就来了，像原子这么小的微粒是怎么被观察到的呢？ 通常来讲，我们只需要利用光学显微镜将某个微小的物体放大到足够的倍数，就可以直接看到该物体了，但对于原子这种尺寸的微粒来讲，这是行不通的。 光学显微镜是利用可见光进行观察的，而可见光的波长大约介于390至780纳米之间（注：1纳米=10^-9米），相对而言，原子的直径数量级则为10^-10米，由于可见光的波长远远大于原子的直径，因此当可见光遇到原子时，就会发生明显的衍射，在我们看来就是一片模糊，根本无法清晰成像。 实际上，即使是紫外线和X射线，也无法满足观察原子的精度，而波长更短的伽马射线，则会因为能量太高而极易破坏原子，并且还极易发生散射，导致无法聚焦，所以也不适合用来观察原子，那怎么办呢？科学家选择了电子。 由于电子同时具备了“波”和“粒子”的双重性质（即波粒二象性），其波长很短（数量级可达10^-12米），因此电子就成了观察原子的良好选择。 早在1933年，柏林工业大学压力实验室的恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）就成功制造出了世界上第一台电子显微镜（Electron Microscope，简称EM），简单来讲，这种显微镜的工作原理就是，向观察目标发射高能电子束，然后观测电子束与观察目标发生相互作用时产生的各种效应，并将其转化为人眼能够识别的图像。 （世界上第一台电子显微镜） 在经过多年发展之后，电子显微镜已经可以将观察目标放大200万倍以上，其分辨率也能够达到0.2纳米，以这样的水平，观察成片的原子是没有什么问题了，不过科学家还想更进一步，去仔细观察单个的原子，于是就有了后来的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）。 扫描隧道显微镜由IBM苏黎世研究实验室的格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）于1981年研制成功（顺便讲一下，在1986年的时候，他们与前文提到的恩斯特·鲁斯卡一起获得了诺贝尔物理学奖）。 这种显微镜会用到一根非常细的探针（针头只有一个原子那么大，可通过“电化学腐蚀法”或“机械成型法”来制备），在进行观测工作时，探针和观察目标之间会加上合适的电压，当探针距离目标足够近时，就会因为“量子隧穿效应”而产生隧道电流，在这种情况下，当探针扫描单个原子的不同部位时，流过探针的隧道电流就会出现细微的涨落，将这种涨落进行图像化处理之后，就获得了原子的形状。 扫描隧道显微镜的分辨率可达0.01纳米，观察像铜原子这么小的微粒可以说完全没有问题，但它却有一个缺点，那就是它只适合用来观察导体，对半导体的观测效果就很不理想了，而对绝缘体则根本就不能观测。 为了解决这个问题，格尔德·宾宁又与斯坦福大学的卡尔文·奎特（Calvin Quate）于1985年发明了原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）。 原子力显微镜同样也需要一根非常细的探针，探针位于一个对力的变化极为敏感的微悬臂的末端，由于原子之间存在着相互作用力（如范德华力），因此当探针扫描单个原子的不同部位时，微悬臂就会产生细微的起伏或振动，将检测到的数据进行图像化处理之后，就可以获得原子的形状。 需要注意的是，尽管原子力显微镜的应用范围比扫描隧道显微镜更广，但由于科技的限制，原子力显微镜的精度目前还达不到扫描隧道显微镜的水平。 好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。 |
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