如果顯微鏡想要看到原子內(nèi)部 , 需要放大多少億倍?
人能夠看到物體是因?yàn)槲矬w發(fā)出或反射的光進(jìn)入了人眼的緣故 。透鏡能夠使光發(fā)生折射 , 繼而讓人看到放大、縮小或扭曲的像 。利用透鏡觀察放大的物體可能有上千年的歷史 , 16世紀(jì)末有人發(fā)現(xiàn)將兩個(gè)凸透鏡放在合適的位置能夠?qū)⑽矬w放大很多倍 。17世紀(jì)時(shí)科學(xué)家制造出了真正意義的顯微鏡 , 并被用來(lái)觀察細(xì)胞、微生物等 。光有波動(dòng)性 , 遇到比較小的障礙物會(huì)發(fā)生明顯的衍射 。
光經(jīng)過(guò)一個(gè)很小的障礙物時(shí)可能會(huì)繞過(guò)它 , 即使被它反射后也容易擴(kuò)大為一個(gè)光斑 。當(dāng)要觀察的兩個(gè)位置過(guò)于接近時(shí) , 兩個(gè)位置反射的光斑會(huì)有很大部分發(fā)生重疊 , 這樣就看不清要觀察的物體 , 這就是光學(xué)顯微鏡的衍射極限 。一般而言光學(xué)顯微鏡的分辨極限為0.2微米 , 換算成放大倍數(shù)大約在2000倍附近 。中學(xué)生物課上用到的顯微鏡就是光學(xué)顯微鏡 , 一般最多放大幾百倍 , 即使超過(guò)了1000倍視野也會(huì)變得非常暗 。
一些電商宣揚(yáng)他們的光學(xué)顯微鏡能夠放大五千倍甚至數(shù)萬(wàn)倍 , 那種放大并不能提高分辨率 , 沒(méi)有任何意義 ??梢?jiàn)光的波長(zhǎng)范圍大約是390納米至760納米 , 波長(zhǎng)越短衍射現(xiàn)象就越不明顯 。物質(zhì)具有波動(dòng)性 , 電子的波長(zhǎng)要比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)小很多 , 用電子代替光制作的顯微鏡就是透射電子顯微鏡 。隨著技術(shù)的突破 , 透射電子顯微鏡的分辨能力也在逐步提高 , 目前分辨極限可達(dá)0.2納米 , 到了原子直徑的數(shù)量級(jí) 。
掃描隧道顯微鏡可以用來(lái)觀察及定位單個(gè)原子 , 其分辨率能夠達(dá)到0.1納米 , 能夠?qū)⒃臃糯髷?shù)億倍 。掃描隧道顯微鏡上有一個(gè)很尖的探針 , 探針的針尖尖到只有一個(gè)原子 。當(dāng)探針在樣品表面掃描時(shí) , 針尖和樣品的電子云會(huì)發(fā)生重疊 , 此時(shí)在針尖和樣品間加上一個(gè)電壓就會(huì)有電子逸出 , 在針尖和樣品間形成隧道電流 。電流的大小與電壓及針尖到樣品的距離有關(guān) , 樣品表面原子的凹凸不平就能夠通過(guò)電流反映出來(lái) , 電流信息經(jīng)過(guò)處理后即可將原子的形象展示出來(lái) 。
【把人放大一億倍,芯片放大一億倍】原子內(nèi)部是原子核和電子 , 深入到這個(gè)層面物質(zhì)的波動(dòng)性便非常明顯 。初中時(shí)學(xué)過(guò)的原子模型中 , 電子是繞著原子核轉(zhuǎn)動(dòng) , 而實(shí)際上電子沒(méi)有軌道的概念 。甚至電子等粒子也沒(méi)有形狀的概念 , 科學(xué)家們測(cè)出的粒子的直徑并非是真正的直徑 , 而是它們直徑的上限 ??茖W(xué)上往往用電子云描述電子可能出現(xiàn)的位置 , 目前看一個(gè)粒子并不能像一個(gè)籃球那樣有表面、邊界這樣的概念 , 目前并不能回答需要將粒子放大多少倍才能看到它 , 也沒(méi)有顯微鏡能夠?qū)⒘W臃糯蠛蠊┤祟?lèi)觀察 。
一個(gè)原子放大1億倍就是一個(gè)宇宙?那我們就生活在其中嗎?
如果站在我們?nèi)祟?lèi)的角度 , 這原子放大1億倍顯然不能和宇宙劃等號(hào) 。比如一個(gè)氫原子 , 0.1納米 , 放大1億倍后 , 也不過(guò)直徑1厘米 , 大小相當(dāng)于一個(gè)玻璃彈珠——然而你應(yīng)該看不到它的 , 因?yàn)樵佑质怯稍雍撕屯鈬D(zhuǎn)的電子組成 , 原子核的直徑只有原子的十萬(wàn)分之一 , 電子就更小了 , 這就意味著它們形成的原子放大1億倍你也根本看不到 。
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