1克铜就有95万亿亿个铜原子，这么小的微粒是怎么被观察到的？

导语

原子是物质的组成单位，它是具有质量和能量的实体，也是由电子、质子和中子组成的。

早在20世纪初，英国科学家汤姆逊通过油滴实验发现原子是由带正电的核和围绕核的负电荷电子组成的。

在此之后，科学家们更加想要深入地研究原子的性质，甚至想要观察原子的真实面目。

然而由于原子极小，1克铜中约含有95万亿亿个铜原子，再加上人类肉眼有一定的分辨率，所以一直以来无法用光学显微镜直接观察原子。

然而当时正是科技发展的黄金时期，电子显微镜应运而生，它充分利用电子的波粒二象性来观察原子。

它的分辨率远远大于光学显微镜，可以被用于观察原子的研究。

原子很小

原子的大小非常小，单位可以使用纳米来表示，1纳米=10^-9米。

铜原子的半径大约为1.28埃，1埃=10^-10米，所以铜原子的直径约为2.56埃。

而1克铜含有6.02x10^23个铜原子，如果将1克铜内的铜原子一条直线排列起来，那么会有多长呢?

1克铜中的1个原子的直径约为2.56埃，铜原子间的间隙可以忽略不计，所以将1克铜内的铜原子一条直线排列起来约为(6.02x10^23x2.56)米。

计算一下，约为1.5x10^13米，这个数量级是难以想象的，所以铜原子间的距离远远大于原子直径。

另外，若想用人眼直接观察，见到一个原子，光学显微镜的分辨率应该小于或等于原子的直径，即小于或等于2.56埃，但实际上，光学显微镜的分辨率只能达到0.2微米，所以我们无法用人眼直接观察原子。

光学显微镜无法观察原子

光学显微镜是利用可见光来进行观察的，可见光的波长为380-780纳米，远大于原子的大小，所以不能用光学显微镜观察原子。

光学显微镜的分辨率受到光的波长的限制，光学分辨率的公式为:R=1.22λ/2na。

R为分辨力，λ为光的波长，n为介质的折射率，a为角孔径。

由此可以看出，当波长为λ时，光学显微镜可以分辨的最小物体的直径为λ，而可见光的波长大于原子直径，所以无法用光学显微镜观察原子，有没有其它方法可以观察原子呢?

答案是肯定的，电子显微镜可以看到原子。

电子显微镜可以用电子来进行观察，它利用电子的波粒二象性来进行观察，其中的电子波长远远小于光的波长，所以可以很容易地看到原子。

电子的波长由德布罗意-布罗意方程给出:

λ=h/p，这里p为动量，h为普朗克常数。

由此可见，当动量越大时，波长越小。

对于电子来说，它们具有很大的动量，所以电子的波长非常小，1keV的电子的波长为0.0037纳米，而1eV的电子的波长为0.0122纳米。

由此可以看出，1keV的电子的波长只有0.0037纳米，相比光学显微镜的波长要小很多，所以电子显微镜有很大的分辨力，可以观察原子。

根据电子显微镜的原理，有两种电子显微镜可以观察原子，分别是扫描隧道显微镜和原子力显微镜。

电子显微镜的两种类型

1、扫描隧道显微镜。

扫描隧道显微镜是一种在进行扫描的同时，测量扫描杆与导体表面的间隙的设备。

它是一种非接触原子显微镜，通过电子波的隧穿效应来观察样品表面的原子结构。

它的扫描针具有很尖锐的锥体，这样在扫描的过程中，电子可以与样品表面非常接近，这就使得电子可以隧穿到样品表面的下面，带来电流。

样品表面上的原子和扫描针之间都有一个隧道，扫描杆带来的电流通过放大器进行放大，然后进行反馈，使得扫描杆与样品表面保持一个既定的距离，这样就可以使扫描杆与样品保持一定的距离。

当扫描杆与样品表面的距离恒定后，就可以根据反馈量来记录扫描杆的移动情况，将电子的隧道电流转换为表面的拓扑情况，从而得到表面的原子结构。

扫描隧道显微镜的分辨力为0.01纳米，所以可以看到原子的图像。

但是扫描隧道显微镜只能用于导体的观测，在非导体上不能使用。

2、原子力显微镜。

原子力显微镜是利用原子力的显微镜，它可以对任何物体进行观察，不仅可以用于导体的观察，还能用于非导体的观察。

它是通过探针的一端与样品表面的相互作用力的改变来观察样品的表面结构的，由于不涉及电子隧穿，所以无需提供高真空条件。

原子力显微镜的分辨率可以达到0.1纳米。

由于原子力显微镜的适用范围更广，所以原子力显微镜被使用的更多。

当然，扫描电镜和透射电镜也是电子显微镜的一种，它们原理一样，只是能够观察到的样品不一样，透射电镜能够观察到材料的内部结构，而扫描电镜只能观察到材料的外表面。

透射电镜的分辨率达到0.2纳米，而扫描电镜的分辨率大于1.0纳米。

结语

随着科技的发展，也许能够发明出更高分辨率的观察原子的工具，这样就可以将原子层面的研究推向更深入。

原子力显微镜虽然精度有限，但是在实际的纳米结构表征中已经发挥了重要作用，为材料设计和表征提供了有力支持。

因此对于不同性质的物质，选择观察原子的工具可能会有所不同，根据需要选择合适的显微镜。