原子有多大？如何知道固體中原子的排布？怎么“觸摸”或“感知”原子？ 

我們的世界由無數個很小很小的原子組成，這些原子直徑在10^-10米左右，即百億分之一米。為了衡量原子尺度下的各種現象，米這個長度已經顯得太大，人們習慣定義十億分之一米（10^-9米）為1納米，原子也就只有0.1納米左右那么大。材料中原子之間間隔大概在0.1-10納米之間，一滴水或一粒米里面的原子數目大的驚人，即使是讓全地球60億人來數的話，也要數幾百萬年才能數完！尺寸如此之小，而數目有如此之多的原子們，如何能夠被人類“看見”呢？或者說人類是怎么認識到原子在材料中分布甚至“感知”到原子的呢？

圖1 傳統顯微鏡觀察細胞

我們知道，人類肉眼的分辨率僅有0.1毫米，而光學顯微鏡的放大倍數也只有一兩千倍左右。因此，如果用傳統的光學顯微鏡的話，只能看到100納米尺度下的物體，比如細胞和細菌等。要知道，最小的細菌里面其實還有成千上萬個原子呢！由此看來，傳統顯微鏡是不可能看到原子的。問題的原因在于，光學顯微鏡實際上是用可見光作為“尺子”來衡量物體的，而可見光的波長在幾百到一千納米左右，比原子可要大多了！用大尺子去量一個小物體，怎么可能量的準確？

圖2 電磁波譜

圖3 C60分子結構及其固態(tài)單晶x射線衍射圖

圖4 沃森和克里克（左）利用x射線衍射（中）發(fā)現DNA雙螺旋結構（右）

看來要解決問題的關鍵在于尋找到一把合適大小的“尺子”。我們知道，其實可見光不過是一種極其普通的電磁波，在自然界中還存在許多其他電磁波。比如無線電波的波長就可以長達數千米，而我們家庭用的微波爐中的微波尺度大概在毫米量級。比可見光更短的電磁波還有很多，比如紫外線、x射線和伽馬射線。有沒有和原子直徑差不多大小的電磁波？當然有，那就是x射線。原來，x射線除了在醫(yī)院用來拍片照CT之外，還可以作為一把衡量原子大小尺度的精細“尺子”。為什么x射線能量出原子排布的呢？讓我們回想一下水波，往水塘里扔一顆石子就會蕩漾起美麗的水波，如果放一塊有洞的木板在水面，你會發(fā)現水波能夠“穿過”洞口形成圓狀輻射的波紋，這是因為木板上的洞和水波的波長差不多，所以水波就衍射出來了。類似地，可見光也能實現衍射，而x射線作為電磁波的一種，同樣可以出現衍射。關鍵在于要尋找到合適大小的“洞”，對于x射線而言，固體原子之間的間距恰好和它的波長相當，是一個再合適不過的洞了。由于材料中原子間的相互作用，原子在固體中往往是呈規(guī)則排列的，比如C60，就是一個由碳原子組成的足球烯，號稱“世界上最完美的分子”。一個C60分子也會規(guī)則排列起來形成固體結構，如果用一束x射線照射進去，那么反射出來的x射線就會在空間上形成特定的分布，在一維坐標系上看到的就是一個個的衍射峰。不同材料中原子排布各不相同，如果仔細用x射線尺子度量的話，你就可以還原出材料中原子的分布。即使像DNA這么復雜的雙螺旋結構，也能夠用x射線給“量”出來。用x射線替代可見光，人類的眼神又更“精”一步！

圖5 水波、可見光、x射線、電子和中子的衍射圖

圖6 掃描電鏡下果蠅的眼睛（左）和納米顆粒在球面分布 （中）對應自然植物的花序

世界上只有x射線的波長和原子大小相當嗎？還是有更多？量子力學告訴我們，所有的微觀粒子在既是粒子的同時，又是一種波，叫做德布羅意波。比如我們熟知的電子，它的波長在0.01到1納米之間，和x射線非常類似。利用電子的微觀特性，科學家發(fā)明了掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM），它們的放大能力是普通光學顯微鏡的一千倍左右，因此能夠看到許多有趣的微觀世界。如SEM下的果蠅復眼和球表面的納米顆粒，人們神奇地發(fā)現在微觀世界的材料也具有和宏觀世界中如植物花序類似的特征，自然界所遵循的規(guī)律是何等地一致！TEM看到的是電子的衍射圖像，就像x射線衍射一樣，是一堆有序分布的斑點，通過對這些斑點的反演就可以得到材料中原子的分布情況。

圖7 固體材料的中子衍射示意圖

不帶電的中子波長要更短，不同能量的中子波長分布在百萬分之一納米到0.1納米之間，是一把更為精細的微觀尺子。中子因為不帶電，它會直接和原子核（直徑在百萬分之一納米）發(fā)生相互作用，能夠準確地定出原子核的分布排列。更重要的是，中子還帶有磁矩，就像一個微小的小磁鐵，它還能“感應”材料中磁矩的分布方式，得出材料的磁結構。如今x射線、電子和中子衍射已經成為度量原子尺度下物理的重要“標尺”，在科學研究中發(fā)揮著不可替代的重要作用。

圖8 英國盧瑟福實驗室的Diamond同步輻射光源和ISIS散裂中子源

除了用x射線、電子和中子來“看見”原子外，人們還發(fā)明了一種科學儀器可以“觸摸”或“感知”原子，稱之為掃描隧道顯微鏡（STM）。形象來說，原子直徑范圍內主要是一堆電子（原子核占的空間要小的多），因此材料的表面實際上可以分解為一小撮一小撮的電子構成的“凹凸”不平的原子分布，如果可以用原子大小的“指頭”去“觸摸”的話，就能夠感知這些坑坑洼洼。STM正是利用了一個極其細小的針尖，頂端僅有一個或幾個原子。當針尖靠近材料表面的時候，電子會因為量子效應而隧穿到針尖上，離針尖距離不同的電子隧穿可能性差別很大。如果合適地控制針尖到表面的距離，保證隧穿過來的電子數目也即形成的隧穿電流大小基本不變，那么就等于感受到了表面的“高低起伏”。如果保持針尖到表面的距離不變，而測量隧穿過來的電子數目（電流大小），相當于感知到了表面電子數目的分布情況，等效于原子的分布。STM不僅能夠觸摸原子，而且利用針尖和單個原子的相互作用，還可以人為地操縱原子，排布出文字圖案，甚至制作一個“量子圍欄”，里面還有量子世界的“海市蜃樓”奇觀哦！（文  羅會仟）

圖9 掃描隧道顯微鏡的原子及實現

圖10 用STM移動原子“寫”出的文字和“量子圍欄”

 [作者注]本文發(fā)表在《科學家》雜志2014年第四期