光学显微镜看不到原子？是因为倍数不够？错

2022-03-16 09:28:21 来源：科普中国

通过光学显微镜，我们能够看到平日里肉眼看不见的细菌与细胞，但对于更小级别的事物，比如原子，就无能为力了。

光学显微镜为什么看不到原子呢？你可能很自然地会认为是由于光学显微镜的倍数不够，但其实真正的原因并不是这样，或者说这种说法是不够准确的。在17世纪以前，人类对于微观世界可以说是一无所知，直至显微镜的出现。不过最早的显微镜放大倍数极其有限，想用它来观察微生物是绝无可能的，最多也就是能用来观察跳蚤。尽管如此，显微镜在当时仍旧是不可多得的昂贵物品。一个名为“列文·虎克”的看门人对显微镜也十分感兴趣，但他并没有钱来购买这么贵重的物品，于是就选择自己动手来磨制显微镜。

不得不说，列文·虎克磨镜子的技术绝对是出类拔萃，他将一个镜片磨成了一个细小的玻璃珠，并将其镶嵌在一个铜片的小孔上，如此一个结构简单的显微镜就做好了。

列文·虎克的显微镜虽然结构简单，但功能强大，可以将物体放大300倍，事实上他所磨出的才是真正意义上的显微镜。后来，列文·虎克凭借着自己磨制的显微镜发现了细菌的存在以及血液中的红细胞，因为列文·虎克的惊人发现，他成为了英国皇家学会有史以来第一个不会拉丁语的会员，在此之前，拉丁语是成为会员的基本要求，因为拉丁语是科学通用语言。

自列文·虎克发明真正意义上的显微镜至今，已经有将近400个年头了，现代的光学显微镜放大能力也远非昔日可比，最多已经可以将物体的影像放大2000倍。

所以通过光学显微镜，现在我们可以清晰地看到动物或植物的细胞，但如果想要探索更加微观的世界，光学显微镜就无能为力了。比细胞更小的是什么？是原子。原子有多小？平日我们所说的一滴水大概为0.05毫升，而这一滴水之中就包含了至少10万亿亿个水分子，而每一个水分子都是由2个氢原子和1个氧原子所组成的，可见原子是有多么的小。再比如铜，1克铜中所含有的铜原子个数就达到了95万亿亿个之多。

原子的确是要比细菌和细胞小多了，使用现有的光学显微镜的确是无法看到，那么只要继续提高光学显微镜的倍数不就行了吗？并不行，之所以不行，是由光学显微镜的内在原理所决定的。

光学显微镜观察物体，依靠的是可见光，什么是可见光呢？就是波长在390纳米至780纳米之间的光，而原子的直径数量级为10的-10次方米，显然，原子的直径远远小于可将光的波长，可见这并不是一个放大倍数的问题，因为波长远大于原子直径的可见光在与原子相遇时会发生明显的衍射，从而导致无法清晰成像。既然无法通过可见光观察原子，我们又是怎么得知原子结构的呢？

可见光的波长虽然远大于原子的直径，但世界上还有很多其它的东西，它们的波长就比原子小得多，比如电子。

电子的波长数量级大概在10的-12次方米，所以使用电子来观察原子是完全可以做到的，于是在1933年，世界上第一台电子显微镜问世了。电子显微镜与传统的光学显微镜完全不同，它在工作时会向观察目标发射高能电子束，这些电子束与目标接触后会发生相互作用，然后电子显微镜会根据这些相互作用所呈现出来的效应来绘制图像，然后我们就可以通过电子显微镜所呈现出来的图像观察到原子了。不过电子显微镜也只能观察成片的原子，想要对单个原子进行细微的观察，还是做不到，于是“扫描隧道显微镜”就诞生了。

扫描隧道显微镜的核心原理就是量子隧穿效应。

工作时，它会用一根针头只有原子大小的探针接近观察目标，并在探针与观察目标之间加上电压，随着二者距离的拉近，会因量子隧穿效应而产生隧道电流，当探针扫描观察目标的不同部位时，产生的隧道电流会出现涨落，扫描隧道显微镜会将这种涨落记录下来并绘制成图像，通过图像我们就可以直观看到原子到底是个什么样子了。那么扫描隧道显微镜到底能够看到多小的东西呢？它的分辨率可以达到0.01纳米。正是因为有了这样强大的工具，我们才能有幸看到肉眼根本不可能看到的微观结构。

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