电子显微镜原理

电子显微镜原理 显微镜看到的是原子还是原子中的电子，原子有具体的模样吗？什么显微镜能看到电子？

先说量子显微镜。

上图是2013年科学家们用量子显微镜拍到的氢原子的图片，它是人类历史上给原子拍照拍的最清楚，最近景的图片了。

从图中可以看到电子云，要知道氢原子是由一个质子一个电子组成的，一个电子就已经疯狂运动成为一团云了。

另一个观察原子最普遍的一种显微镜叫STM显微镜。

它的工作原理利用的是量子隧穿效应。

这是个非常神奇的现象。

举个栗子，一个人站在一座山下，如果他想到山那边，他就必须爬过这座山。

但到了量子领域，神奇的事情发生了，这个小小的量子（比如电子）竟然不用爬山，而是神奇地找到并穿过了“山体隧道”，到达了另一边。

这就是量子隧穿效应。

一句话说明白，量子可以穿墙而过，而你却只能头上撞个大包。

STM正是利用这一原理，用一根很细的探针，针头上只有一个原子，然后在针尖上施加一个电流，然后让这个原子去接触被测量的物质，根据电流和距离的关系，我们就能知道原子长啥样和怎么排列了。

1990年IBM的科学家展示了一项令人瞠目结舌的图片，他们用STM在金属镍表面用氙原子组成了IBM字样。

1993年，他们故技重施，用铁原子在钴上面写了个汉字“原子”。

利用STM，科学家终于可以看到物质的原子层面是如何构成的了：金和二硫化钼的表面原子构成。

如上，科学家们可以利用那根探针，随意地移动原子，并且可以利用这一技术进行原子层面的工程搭建，当然了，这里《三体》小说中，质子的高维度展开和蚀刻还是差太远了。

科学家们利用STM让Si(111)搭成了一个六边形的小山包。

原子都能随便摆弄了，分子就更不成问题了。

比如，我们可以利用STM，对一些DNA进行重新编辑等。

曾经人们认为STM就是人类的观测极限，但随着量子技术的不断进步，未来让我们一睹电子、质子，甚至夸克的真实面貌，也不是不可能。

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答：是包括电子在内的整个原子，对于原子尺度分辨率的显微镜，并不是看到了原子，形象地说是通过“触摸原子”获得了原子的形状。

光学显微镜光的本质是电磁波，每种电磁波都存在波长，当物体尺度远小于电磁波波长时，光学显微镜就无法分辨该物体；就算我们用短波长的电磁波探测物体也存在一个极限，所以光学显微镜的放大能力在2000倍以内，远远无法达到原子尺度的分辨率。

目前能看到原子尺度的设备，有隧道扫描显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），分辨率都能达到0.01nm尺度，氢原子直径在0.1nm尺度；我们根据这两种显微镜的原理，来解答题目疑问。

隧道扫描显微镜隧道扫描显微镜的原理，主要利用了量子力学中的量子隧穿效应；好比有一道高墙，普通人要跨过墙的最高处，才能到达墙的另外一面，但是量子世界不一样，量子人有概率从墙的一边突然消失，然后出现在墙的另外一边。

宏观世界很难发生这样的事，但是在量子世界中经常发生，“墙”越薄，量子隧穿的概率也就越大。

隧道扫描显微镜有一根非常细小的探针，尖端只有一个原子，当探针在导电物体表面移动时，探针上的电子就有概率通过量子隧穿效应逃离到探测物体上，探针和物体间的距离越小，量子隧穿效应越明显。

然后通过微电流放大器，获得探针上电子的逃逸情况，就可以获得物体表面的形状分布，从而让我们看到原子尺度的世界，实际上更像是探针“触摸”原子表面获得原子信息。

原子力显微镜原子力显微镜是使用高灵敏的力学装置，获得原子周围的力场分布，从而模拟出原子表面的模样。

原子力显微镜与隧道扫描显微镜相比，隧道扫描显微镜只能探测导电物体，而且针对不同的导电物体，探测数据也不一样。

而原子力显微镜可以探测绝缘体的原子，应用范围更广。

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