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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。

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?

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?

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?

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。

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?

(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)。

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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)。

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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。

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