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1克銅就有95萬億億個銅原子,這麼小的微粒是怎麼被觀察到的?
2022/02/04
2022/02/04

原子是一種非常小的微粒,這是我們都知道的,那原子究竟小到了什麼程度呢?我們不妨來簡單計算一下,看看1克銅含有多少個銅原子。

在元素週期表中可以看到,銅的相對原子質量為63.55,也就是說1摩爾(mol)的銅的質量為63.55克,根據定義,1摩爾的銅含有大約6.02 x 10^23個銅原子,據此我們可以計算出,大約每1克銅就有95萬億億個銅原子。

真是「不算不知道,一算嚇一跳」,原來原子居然這麼小,區區1克的銅,就含有數量如此龐大的銅原子。那麼問題就來了,像原子這麼小的微粒是怎麼被觀察到的呢?

通常來講,我們只需要利用光學顯微鏡將某個微小的物體放大到足夠的倍數,就可以直接看到該物體了,但對于原子這種尺寸的微粒來講,這是行不通的。

光學顯微鏡是利用可見光進行觀察的,而可見光的波長大約介于390至780納米之間(注:1納米=10^-9米),相對而言,原子的直徑數量級則為10^-10米,由于可見光的波長遠遠大于原子的直徑,因此當可見光遇到原子時,就會發生明顯的衍射,在我們看來就是一片模糊,根本無法清晰成像。

實際上,即使是紫外線和X射線,也無法滿足觀察原子的精度,而波長更短的伽馬射線,則會因為能量太高而極易破壞原子,並且還極易發生散射,導致無法聚焦,所以也不適合用來觀察原子,那怎麼辦呢?科學家選擇了電子。

由于電子同時具備了「波」和「粒子」的雙重性質(即波粒二象性),其波長很短(數量級可達10^-12米),因此電子就成了觀察原子的良好選擇。

早在1933年,柏林工業大學壓力實驗室的恩斯特·魯斯卡(Ernst Ruska)就成功製造出了世界上第一台電子顯微鏡(Electron Microscope,簡稱EM),簡單來講,這種顯微鏡的工作原理就是,向觀察目標發射高能電子束,然後觀測電子束與觀察目標發生相互作用時產生的各種效應,並將其轉化為人眼能夠識別的圖像。

(世界上第一台電子顯微鏡)

在經過多年發展之後,電子顯微鏡已經可以將觀察目標放大200萬倍以上,其解析度也能夠達到0.2納米,以這樣的水準,觀察成片的原子是沒有什麼問題了,不過科學家還想更進一步,去仔細觀察單個的原子,于是就有了後來的掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope,簡稱STM)。

掃描隧道顯微鏡由IBM蘇黎世研究實驗室的格爾德·賓寧(Gerd Binnig)和海因裡希·羅雷爾(Heinrich Rohrer)于1981年研製成功(順便講一下,在1986年的時候,他們與前文提到的恩斯特·魯斯卡一起獲得了諾貝爾物理學獎)。

這種顯微鏡會用到一根非常細的探針(針頭只有一個原子那麼大,可通過「電化學腐蝕法」或「機械成型法」來製備),在進行觀測工作時,探針和觀察目標之間會加上合適的電壓,當探針距離目標足夠近時,就會因為「量子隧穿效應」而產生隧道電流,在這種情況下,當探針掃描單個原子的不同部位時,流過探針的隧道電流就會出現細微的漲落,將這種漲落進行圖像化處理之後,就獲得了原子的形狀。

掃描隧道顯微鏡的解析度可達0.01納米,觀察像銅原子這麼小的微粒可以說完全沒有問題,但它卻有一個缺點,那就是它只適合用來觀察導體,對半導體的觀測效果就很不理想了,而對絕緣體則根本就不能觀測。

為了解決這個問題,格爾德·賓寧又與斯坦福大學的喀爾文·奎特(Calvin Quate)于1985年發明了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,簡稱AFM)。

原子力顯微鏡同樣也需要一根非常細的探針,探針位于一個對力的變化極為敏感的微懸臂的末端,由于原子之間存在著相互作用力(如范德華力),因此當探針掃描單個原子的不同部位時,微懸臂就會產生細微的起伏或振動,將檢測到的資料進行圖像化處理之後,就可以獲得原子的形狀。

需要注意的是,儘管原子力顯微鏡的應用范圍比掃描隧道顯微鏡更廣,但由于科技的限制,原子力顯微鏡的精度目前還達不到掃描隧道顯微鏡的水準。

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