? 科學(xué)家是如何看到原子和分子的?_原子和分子__西安航科等離子體科技有限公司 精品一级毛片A久久久久天美传媒,天堂在线资源综合观看,黄色视频网站在线观看,香蕉视频在线观看下载,国产精品白嫩初高中害羞小美女

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科學(xué)家是如何看到原子和分子的?

原子和分子尺寸都很小,肉眼無(wú)法直接看到,那么科學(xué)家們是如何看到原子和分子的呢?這個(gè)問(wèn)題的答案其實(shí)非常簡(jiǎn)單——放大了看!科學(xué)家也不是超人,跟大家一樣,肉眼看不到的東西,就去把它放大就好了,顯微鏡就是這么被發(fā)明出來(lái)的。

  在介紹科學(xué)家用的顯微鏡之前,我們先了解下要看的原子和分子是什么,它們到底有多小,這樣我們就能估算出需要放大多少倍才可以看到這些小東西。最后,我們再沿著(zhù)歷史的發(fā)展看看歷代天才們的都發(fā)明了什么樣的顯微鏡。如果大家覺(jué)得文章太長(cháng)了,可以直接跳到最后一段,那里有最直接的答案。

一、原子和分子到底有多大?
  原子的最早提出者是古希臘人留基伯(公元前500~約公元前440年),他是德謨克利特的老師。原子(atom)這一詞也來(lái)源于希臘語(yǔ),原意即是不可分割。實(shí)際上,雖然物理學(xué)中依然可以將原子分割為更小的質(zhì)子、中子以及電子,但是在化學(xué)反應中,原子依然是最小的單位。

  原子到底有多大?這個(gè)問(wèn)題很難回答。因為原子是由原子核和核外電子構成的,電子云的分布已經(jīng)涉及到了量子力學(xué)這個(gè)高大上的領(lǐng)域,再次不多贅述。簡(jiǎn)要一句話(huà):電子云存在的空間并非絕對固定的。所以原子實(shí)際上并不是像大家想的一樣,有固定體積的物體。

  原子的半徑有很多種,常見(jiàn)的有軌道半徑、范德華半徑(也稱(chēng)范式半徑)、共價(jià)半徑、金屬半徑等,同一原子依不同定義得到的原子半徑差別可能很大。根據原子序數和核外電子數量,原子的差別也會(huì )很大。但是大致來(lái)說(shuō),原子的半徑在10-10米這個(gè)數量級上,也就是常說(shuō)的埃(?ngstrom或ANG或?)。人的頭發(fā)大約是60~90微米(6×10-5~9×10-5米),也就是說(shuō)一根頭發(fā)絲上可以橫著(zhù)擺下60萬(wàn)到90萬(wàn)個(gè)原子,顯然用肉眼去看原子是完全不可能的。如果希望把原子放大到肉眼可見(jiàn)的程度,放大倍數需要在250萬(wàn)倍到300萬(wàn)倍之間。

  分子(molecule)的定義是物質(zhì)中能夠獨立存在的相對穩定,并保持該物質(zhì)物理化學(xué)特性的最小單元。比如兩個(gè)氧原子通過(guò)共價(jià)鍵可以形成一個(gè)氧分子。分子的尺寸比原子大得多,尺寸的不確定性也相對更低,氧分子的直徑約為3.46?(3.46×10-10米),二氧化碳分子直徑約為3.3 ?(3.3×10-10米)。一些大型的分子則尺寸更大,像是高溫超導材料YBa2Cu3O7-δ在最長(cháng)的方向上尺寸可以超過(guò)10 ?,也就是1納米(1×10-9米)。那么想把分子放大到肉眼可見(jiàn)的程度,只需要放大100萬(wàn)倍到200萬(wàn)倍就可以了。但是實(shí)際上,雖然分子比原子要大得多,尺寸也更加固定,可想看到單個(gè)分子遠遠要比看到原子要難得多。這是為什么呢?

  分子的概念比原子出現的要晚得多,也要復雜得多。最早提出比較確切的分子概念的化學(xué)家是意大利阿伏伽德羅,他于1811年發(fā)表了分子學(xué)說(shuō)。在隨后的100年左右的時(shí)間內,分子被看作比原子稍大的一種顆粒。但是隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展,人們逐漸發(fā)現,很多“分子”中很難判斷實(shí)際上有多少原子(比如橡膠之類(lèi)的“高分子”)。

  以最常見(jiàn)的水為例,如圖1所示。在氣態(tài)下,水分子以單個(gè)分子存在,即兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子以共價(jià)鍵的形式構成一個(gè)水分子,水分子間沒(méi)有其他的明顯相互作用。氣態(tài)下,單個(gè)水分子的運動(dòng)是非常劇烈的,而且完全沒(méi)有規律可以預測,只能以統計學(xué)的觀(guān)點(diǎn)去研究(統計熱力學(xué)),這個(gè)時(shí)候極易區分單個(gè)水分子,我們可以很輕松地測量出單個(gè)水分子的直徑在氣態(tài)下約為4 ?(4×10-10米)。

  但是當在1個(gè)大氣壓下溫度降低到100℃以下時(shí),水就變成了液體,也就是我們最常見(jiàn)的生命之源的狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候,由于氧原子的極性很大,會(huì )導致一個(gè)分子中的氫原子和其它分子的氧原子間產(chǎn)生了某種作用力,這種作用力被稱(chēng)為氫鍵。正是由于氫鍵的存在,水才具有了反常高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn),否則水在零下80度左右就該沸騰了,也就沒(méi)有我們的生命了(讓我們默默感謝下氫鍵?。?。雖然有著(zhù)氫鍵等相互作用力,液態(tài)的水依然是沒(méi)有固定形狀的,這也就是孫子兵法里所說(shuō)的:水無(wú)常形。但是區別于氣態(tài),相互間的部分作用力使得液態(tài)水分子有著(zhù)諸如表面張力等現象。這種時(shí)候想區分單個(gè)水分子難度就非常大了。

  當溫度進(jìn)一步降低,水變成冰的時(shí)候,水分子間就會(huì )形成非常緊密的相互作用,從而在一定條件下展現出非常漂亮的形狀,如圖1中的照片所示。綜上可以看出,水從氣態(tài)到固態(tài)的過(guò)程,實(shí)際上是水分子之間相互作用不斷增強,活動(dòng)性不斷降低的一個(gè)過(guò)程。固態(tài)下所有分子都與周?chē)姆肿油耆Y合在一起。


圖1. 水的氣態(tài)和液態(tài)分子示意圖以及固態(tài)晶體照片,示意圖中實(shí)線(xiàn)表示共價(jià)鍵,虛線(xiàn)表示氫鍵(圖片來(lái)源:http://blog.sina.com.cn/s/blog_77f4983d0102veuf.html)

  所以“分子”很難被看到,不是因為它到底有多小,更主要的是即使我們看到了,也沒(méi)法判斷哪部分是一個(gè)單個(gè)分子。在固態(tài)的物質(zhì)中,分子都是緊密排列在一起的,根據排列是否有序,可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩種形態(tài)。一般來(lái)說(shuō)對于晶態(tài)物質(zhì),我們通常用可重復的最小幾何單元(晶胞)來(lái)代替常說(shuō)的“分子”。在下面的介紹中,我們所以提到的物體中的分子都是指晶胞。

  現在讓我們從文明的起源開(kāi)始,追隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展,看看我們的放大倍數是怎么一步一步增大的,記住我們的目標是——300萬(wàn)倍。

二、超級眼睛:光學(xué)顯微鏡
  人們對微觀(guān)世界的探索從未停息,但是早期人們只能通過(guò)自己的眼睛來(lái)觀(guān)察。雖然人的眼睛是一個(gè)結構精巧的光學(xué)器件,但是畢竟不是專(zhuān)門(mén)用于看微觀(guān)世界的。所以即使眼神極好的人,大概也只能看到60微米左右東西,也就是人的頭發(fā)絲那么大。最早的用于幫助觀(guān)察的道具是我們中學(xué)物理學(xué)到過(guò)的凸透鏡,通過(guò)透鏡我們可以對物體進(jìn)行一定程度的放大,當我們把物體放在凸透鏡的焦距以?xún)?,就?huì )在焦距以外呈現出正立放大的虛像,這就是放大鏡的原理。

  單一凸透鏡的放大倍數是由焦距決定的(放大倍數=25CM/焦距),而焦距則是由凸透鏡的折射率、兩側鏡面的曲率以及厚度決定的。這使得在未來(lái)的相當長(cháng)時(shí)間內,放大倍數是由玻璃制備和打磨工藝來(lái)決定的。雖然透鏡可以幫助我們進(jìn)行一定程度的放大,但是從本質(zhì)上說(shuō),玻璃透鏡與人的眼睛是完全相同的結構。所以我們可以將透鏡和顯微鏡理解為“超級眼睛”。

  早期的透鏡放大倍數只有2~3倍,也許可以幫助視力不好的人看清楚字跡,但是我們離看到原子和分子還差得遠。因此,我們需要新的工具。最先做出突出成績(jì)的是羅伯特·胡克(Robert Hooke),那位曾與牛頓打得天翻地覆的科學(xué)家。羅伯特·胡克不僅是一位造詣高深的理論學(xué)家,他發(fā)明了胡克定律,而且對行星引力平方反比定律做出了貢獻,他還是一位制作精密儀器的高手。他在1665年發(fā)表了著(zhù)作《顯微圖片:或關(guān)于使用放大鏡對微小實(shí)體作生理學(xué)描述》(Microphagia: or Some PhysiologicalDescriptions of Miniature Bodies Made by Magnifying Glasses),在這本書(shū)里,他向讀者展示了一個(gè)紛繁復雜又奇妙無(wú)比的微觀(guān)世界。羅伯特·胡克在植物身上發(fā)現了很多小空洞,并講這些空洞命名為:細胞(cell)。他計算出一平方厘米軟木片上大約包含有195255750個(gè)空洞,如此巨大的數字在當時(shí)的科學(xué)界還是極其罕見(jiàn)的。羅伯特·胡克在微觀(guān)世界上的突出貢獻完全歸功于他高超的顯微鏡制作技巧,以及那一臺可以放大到30倍的顯微鏡,這一放大倍數在當時(shí)的光學(xué)界被認為是鶴立雞群的。

  但是僅僅10年后,羅伯特·胡克和倫敦皇家學(xué)會(huì )收到了荷蘭一個(gè)亞麻布料商人的投稿。這個(gè)叫做安東尼·范·列文虎克(Antonie Philips vanLeeuwenhoek)的荷蘭人在沒(méi)有受到過(guò)任何專(zhuān)業(yè)科學(xué)培訓的情況下,通過(guò)自己的努力制備出了放大倍數達到275倍的顯微鏡。這一放大倍數不僅在當時(shí)是驚人的,即使是在350年后的今天也是非常優(yōu)秀的,當今一般高校實(shí)驗室常用的光學(xué)顯微鏡也就只有200~500倍的放大倍數,不到列文胡克的兩倍。但是很遺憾,由于列文虎克對自己的技術(shù)守口如瓶,我們至今也不知道他當時(shí)是如何制備出如此高放大倍數的顯微鏡的。在列文虎克40歲到91歲的50年期間(他并不是從40歲才開(kāi)始觀(guān)測,只是并沒(méi)有對外公布自己的結果而已),他向倫敦皇家學(xué)會(huì )提交了近200份報告。在這些報告中,列文虎克羅列了他所發(fā)現的一些事實(shí),并配以精美的插圖,但是并沒(méi)有任何解釋說(shuō)明,如圖2 所示。列文虎克的報告中囊括了幾乎所有可以用于檢測的事物——面包霉、血細胞、牙齒、自己的唾液、精液甚至大便(提及后面兩樣時(shí),他還說(shuō)為它們的惡臭表示道歉)。正是由于他的不斷觀(guān)測,我們才認知到了細菌這種超小型生物的存在。雖然列文虎克在觀(guān)察微觀(guān)世界上卓有成效,但是300倍的放大倍率比起300萬(wàn)倍的目標,僅僅是九牛一毛。


圖2. 列文虎克關(guān)于甲殼蟲(chóng)眼睛的一封信中的插圖(圖片來(lái)源:公有領(lǐng)域)

  隨著(zhù)科學(xué)和工業(yè)的不斷發(fā)展,顯微鏡在微觀(guān)領(lǐng)域中的作用越來(lái)越突出,細胞核、染色體、線(xiàn)粒體等細胞器被逐漸發(fā)現,但是顯微鏡的放大倍數并沒(méi)有顯著(zhù)的提高。1886年,卡爾蔡司發(fā)明了阿比式鏡頭并改進(jìn)了復合式顯微鏡,進(jìn)一步提高了放大倍數。但是通過(guò)物理學(xué)研究,尤其是電磁波理論的研究(光是電磁波的一種),人們發(fā)現,光學(xué)顯微鏡的放大倍數有一個(gè)無(wú)法逾越的極限。這個(gè)極限是由可見(jiàn)光的波長(cháng)決定的:任何小于可見(jiàn)光波長(cháng)的物體都會(huì )使可見(jiàn)光發(fā)生衍射,從而無(wú)法通過(guò)可見(jiàn)光被清晰地看到。目前為止,最頂級的光學(xué)顯微鏡的放大倍數也只有2000倍,經(jīng)過(guò)350年的努力,我們僅僅在列文虎克的基礎上提高了不到7倍,這個(gè)進(jìn)展速度太慢了,300萬(wàn)倍的目標依然遙不可及。

  是時(shí)候拋棄光學(xué)顯微鏡,選擇另一條路線(xiàn)了。

三、電子眼睛:電子顯微鏡
  既然放大倍數難以提升的癥結在于可見(jiàn)光的波長(cháng)太長(cháng)了,那么選一個(gè)波長(cháng)短的就好了。20世紀初,科勒(K?hler)等人發(fā)明了紫外光顯微鏡,紫外線(xiàn)的波長(cháng)比可見(jiàn)光短,這使分辨率有了一定程度的提高,但紫外線(xiàn)仍不是最好的成像媒介,不能滿(mǎn)足科研和生產(chǎn)需要。

  這個(gè)時(shí)代已經(jīng)是物理學(xué)大爆發(fā)的年代,洛倫茲、居里夫人、愛(ài)因斯坦、玻爾、泡利、海森堡、薛定諤,這些大家耳熟能詳的物理學(xué)家紛紛登場(chǎng)。德布羅意是其中的一位,他是迄今為止唯一一個(gè)憑借博士畢業(yè)論文獲得諾貝爾獎的科學(xué)家,他在1924年自己的博士論文中提到:電子是一種波,而且是一種波長(cháng)很短的波。1932年,柏林工業(yè)大學(xué)壓力實(shí)驗室的年輕研究員盧斯卡(Ernst Ruska)和克諾爾(Max Knoll)對陰極射線(xiàn)示波器做了一些改進(jìn),成功得到放大幾倍后的銅網(wǎng)圖像,確立了電子顯微法。1年后,1933年,盧斯卡成功制造出了能放大1萬(wàn)倍的電子顯微鏡,遠遠超過(guò)了光學(xué)顯微鏡的極限。在53年后的1986年,盧斯卡因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎,這是諾貝爾獎史上等待時(shí)間最長(cháng)的獲獎?wù)摺?br />
  電子顯微鏡的作用原理與光學(xué)顯微鏡完全不同,光學(xué)顯微鏡利用的是光在被測物體上發(fā)生的反射,然后通過(guò)透鏡收集直接進(jìn)入人的眼睛。電子顯微鏡則使用電子槍向被測物體發(fā)射高能電子束,電子束與被測物體發(fā)生作用產(chǎn)生一系列信號。正常人類(lèi)的眼睛顯然不具備收集這些電信號的能力,所以電子顯微鏡需要一套系統將電子信號轉化為人能看到的圖像。所以電子顯微鏡就像是“終結者”的電子眼一樣。

  首先我們看看電子與物體相互作用會(huì )產(chǎn)生什么信號。電子與物體接觸,大部分的電子將被物體吸收,即吸收電子;有部分電子會(huì )被物體的原子核以近彈性散射的方式反彈回去,這就是背散射電子;有部分電子會(huì )把能量傳遞給物體原子的外層價(jià)電子并使之激發(fā),這就是二次電子。當被激發(fā)的電子不是外層價(jià)電子而是內層電子時(shí),外層電子會(huì )向內躍遷并釋放出等同于兩個(gè)電子能級差的能量,這個(gè)能量以X射線(xiàn)的形式釋放,即為特征X射線(xiàn),如果能量被吸收外層電子吸收并使外層電子躍遷,即為俄歇電子。如果物體非常?。{米級),還會(huì )有一部分電子穿透過(guò)去,即為透射電子。


入射電子與固體作用示意圖(圖片來(lái)源:作者繪制)

  上述這些信號都被用來(lái)分析物質(zhì),但是有一些是偏重于元素的(背散射電子、特征X射線(xiàn)以及俄歇電子),而二次電子和透射電子則是對被測物質(zhì)的形貌非常敏感的,所以他們也就被用來(lái)放大觀(guān)測微觀(guān)物體。電子顯微鏡根據接收信號的不同可以分為掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope)和透射電子顯微鏡(transmission electron microscope)兩大類(lèi),其中掃描電鏡靠二次電子觀(guān)察形貌,而透射電鏡則利用透射電子。

  掃描電鏡使用二次電子為觀(guān)測信號,二次電子能量極低,只可以從樣品表面小于10nm的范圍內激發(fā)而出,這就使得掃描電鏡只能觀(guān)察到樣品表面的形貌,而無(wú)法獲得樣品整個(gè)的結構信息。另外由于掃描電鏡無(wú)需穿透樣品,所以加速電壓相對較?。ㄐ∮?0 kV),這使得掃描電鏡的光斑相對較大,無(wú)法獲得極高的分辨率。一般普通的掃描電鏡的放大倍數不超過(guò)100萬(wàn)倍,分辨率大致在幾百納米的尺度上。而場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(field emission scanning electron microscope,FESEM)可以有效地提高加速電壓以聚攏光斑,這就讓我們可以獲得更大的放大倍數(一般小于150萬(wàn)倍),并可以看到10~20nm左右的顆粒。150萬(wàn)倍的放大倍數足夠我們勉強看到比較大一些的分子(晶胞)了,但是距離要看到原子所需要的200萬(wàn)到300萬(wàn)倍,還有最后一段最艱難的路要走。

  透射電鏡與掃描電鏡不同,它使用透射電子為觀(guān)測信號,這就需要樣品非常?。{米級別)并且加速電壓很大(200 kV)。很薄的樣品加上非常高的電壓,可以使高能電子束穿過(guò)樣品并與其發(fā)生有限的相互作用,從而獲得整個(gè)樣品的結構信息。高分辨透射電鏡的放大倍數可以達到200萬(wàn)倍以上,分辨率可以達到0.2nm,也就是2 ?。這個(gè)尺度下我們已經(jīng)可以輕易觀(guān)察分子(晶胞),所以透射電鏡在材料、化學(xué)以及生物領(lǐng)域都有著(zhù)極大的用途。不僅如此,2 ?的分辨率也可以讓我們能夠看到到分子內部整齊排列的原子。如圖3所示,這就是一個(gè)直徑為16nm左右的四氧化三鐵顆粒的高分辨透射電鏡照片。途中那些整齊排列的小圓球正是一個(gè)一個(gè)的原子,它們有的是鐵原子,有的是氧原子。圖中明顯可以看出這些原子在一定區域內整齊排列,但是整個(gè)納米顆粒則分為了幾個(gè)不同的區域。這些區域就是分子(晶胞)。


圖3. 四氧化三鐵納米顆粒高分辨透射電鏡照片(圖片來(lái)源:Chem. Mater. 2011, 23, 4170–4180. dx.doi.org/10.1021/cm201078f)

  通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡,我們可以在一定程度下看到分子(晶胞),而高分辨透射電鏡不僅讓我們可以清晰地看到分子(晶胞),更可以讓我們一睹原子的芳容了??茖W(xué)家們主要就是通過(guò)電子顯微鏡來(lái)放大并看到原子和分子的,似乎故事到這里就可以結束了……

  慢著(zhù)!科學(xué)家們并沒(méi)有滿(mǎn)足!我們現在雖然能清晰地看到原子了,但是看到的都是一片一片的原子。我們是否能夠看到單個(gè)原子,甚至操作原子呢?在觀(guān)測原子的道路上,電子顯微鏡遠不是終點(diǎn)。

四、觸摸原子:掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡
  不論是光學(xué)顯微鏡還是電子顯微鏡,我們追求都是“看”到原子和分子,除了看,我們還能怎么觀(guān)察它們呢?我們想想盲人們是怎么觀(guān)察物體的——很簡(jiǎn)單,靠摸。我們是不是也可以摸一摸原子和分子,來(lái)得知他們的大小和形狀呢?帶著(zhù)這個(gè)神奇的想法,科學(xué)家們嘗試做一個(gè)很細很細的“手指”,嘗試來(lái)“摸一摸”原子。

  1981年,IBM的蘇黎世實(shí)驗室中,格爾德·賓尼希(Gerd Binnig)及海因里?!ち_雷爾(Heinrich Rohrer)兩位科學(xué)家根據量子隧穿效應,發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope),他們也因此獲得了1986年諾貝爾物理學(xué)獎。

  與電子顯微鏡不同,掃描隧道顯微鏡的工作原理出乎意料地簡(jiǎn)單,它跟我們見(jiàn)過(guò)的老式唱片機有著(zhù)非常相似的工作原理。一根極細的探針(針尖僅僅由一個(gè)原子組成)慢慢通過(guò)被測物體,當針尖帶有一個(gè)電荷時(shí),一股電流從探針流出,通過(guò)整個(gè)材料。當探針通過(guò)單個(gè)的原子時(shí),流過(guò)探針的電流量便有所變化,這些變化被記錄下來(lái)。電流在流過(guò)一個(gè)原子的時(shí)候有漲有落,如此便極其細致地探出它的輪廓,原理示意圖如圖4所示。

  掃描隧道顯微鏡已經(jīng)不是傳統的顯微鏡了,他并不是用某種信號(光或者電子)作用在某個(gè)區域上,然后收集反饋信號并加以分析,最終得到放大效果。掃描隧道顯微鏡直接通過(guò)原子和原子之間的作用,來(lái)從根本上逐個(gè)觀(guān)測原子。所以,掃描隧道顯微鏡不存在傳統意義上的“放大倍數”。但是由于他可以清晰地觀(guān)測單個(gè)原子,并且分辨率達到0.1nm,也就是1 ?,換算下來(lái)放大倍數遠遠超過(guò)300萬(wàn)倍。


圖4. 掃描隧道顯微鏡工作原理(圖片來(lái)源:Michael Schmid/CC BY-SA 2.0 Austria)

  圖5左是高溫超導材料YBa2Cu3O7-δ復合薄膜截面的掃描隧道顯微鏡照片,從圖中我們可以清晰地看到一排一排整齊排列的原子,甚至我們可以明明白白地看到原子大小的不同。在白色的Y124和黃色的Y125所標識的區域中,我們可以看出原子的排列到這里突然多了一層好像夾心餅干一樣,這就是材料學(xué)上常常提到的“位錯”。

  掃描隧道顯微鏡不僅可以觀(guān)察單個(gè)原子和原子的排列,還可以在低溫下(4K)用探針精密操作原子。早在1990年,美國IBM公司的兩位科學(xué)家就發(fā)現,在用掃描隧道顯微鏡觀(guān)察金屬表面氙原子時(shí),探針怎么移動(dòng),靠近探針的氙原子也會(huì )作同樣的移動(dòng)。由此他們得到啟發(fā):如果讓原子按照我們設想的方案移動(dòng),那不就可以隨便改變原子的排列順序嗎?于是他們經(jīng)過(guò)22小時(shí)的努力,創(chuàng )造出了由幾十個(gè)氙原子排列成的IBM字母,如圖5右所示。


圖5. 左:YBa2Cu3O7-δ復合薄膜截面掃描隧道顯微鏡照片(圖片來(lái)源:北京工業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)論文-葉帥);右:用掃描隧道顯微鏡移動(dòng)氙原子排出的IBM圖樣(圖片來(lái)源:IBM)

  雖然掃描隧道顯微鏡可以有效地看到單個(gè)原子并操縱它們,但是掃描隧道顯微鏡只能用來(lái)觀(guān)察導體,半導體的效果就很差了,而絕緣體則完全無(wú)法觀(guān)測。為了彌補這一缺陷,發(fā)明了掃描隧道顯微鏡的格爾德·賓尼希再接再厲,在1985年發(fā)明了原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)。原子力顯微鏡的原理與掃描隧道顯微鏡大致相同,都是通過(guò)探針和原子表面發(fā)生相互作用。但是最大的區別在于,原子力顯微鏡采用了原子間的相互作用(如范德華力)作為信號進(jìn)行收集,而非隧道電流,這就使得原子力顯微鏡可以觀(guān)察諸如陶瓷的絕緣體。

五、科學(xué)家們是怎么看到原子和分子的
  科學(xué)家們在追求看到原子和分子的路上奮斗了兩千年了,最開(kāi)始人們選的是直接采用透鏡(顯微鏡)放大。從公元前人們發(fā)現透鏡可以放大一直到1674年列文虎克展示了他275倍的顯微鏡,光學(xué)顯微鏡達到了他最輝煌的時(shí)候,細胞、染色體、線(xiàn)粒體等耳熟能詳的名詞都因它而問(wèn)世。但是在最后的350年內,光學(xué)顯微鏡舉步維艱,放大倍數最大也沒(méi)有超過(guò)2000倍,這距離看到分子和原子還遠得很。在20世紀初,人們發(fā)現了電子束可以跟物體發(fā)生相互作用,并獲得物體微觀(guān)區域的形貌和結構信息,電子顯微鏡應運而生。由于電子顯微鏡的發(fā)現,放大倍數呈現了跨越式增長(cháng)。隨著(zhù)放大倍數的增加,我們看到了晶粒、晶胞,甚至通過(guò)高分辨透射電鏡我們可以清楚地看到一個(gè)一個(gè)整齊排列的原子。至此,科學(xué)家們并沒(méi)有停步,通過(guò)使用探針和物體表面單個(gè)原子的相互作用,他們制備了掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡,并成功地做到觀(guān)測并操作單個(gè)原子。

  我們完全有理由相信,這些探索欲望無(wú)窮的科學(xué)家絕對不會(huì )滿(mǎn)足于現狀的,在可預見(jiàn)的未來(lái),我們將期待更加先進(jìn)的設備讓我們更好地看到原子和分子。

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