原子能被“看得见”、“摸得着”么？

我们的世界是由许多直径约为10-10米，即1/100亿米的非常小的原子组成的。为了在原子尺度上测量各种现象，“米”的长度变得太大了。人们习惯于把十亿分之一米(10-9米)定义为1纳米，而原子只有大约0.1纳米大小。材料中原子之间的间距约为0.1~10纳米。一滴水或一粒米中的原子数量是惊人的。即使整个地球上有60亿人被计算在内，也需要数百万年的时间来计算！我们怎么能“看见”这么小这么多原子呢？或者人类是如何认识到原子在材料中的分布，甚至“感知”原子的？

用传统显微镜观察细胞。

我们知道人类肉眼的分辨率只有0.1毫米，而光学显微镜的放大倍数只有2000倍。因此，如果你使用传统的光学显微镜，你只能看到100纳米尺度的物体，如细胞和细菌。你知道，实际上在最小的细菌中有成千上万个原子！从这个角度来看，传统显微镜不可能看到原子。问题的原因是光学显微镜实际上使用可见光作为测量物体的“标尺”，而可见光的波长范围从几百纳米到一千纳米，比原子的波长大得多！用一把大尺子怎么可能精确地测量一个小物体？

电磁光谱

看来解决这个问题的关键在于找到一把合适尺寸的“尺子”。我们知道可见光实际上是一种极其普通的电磁波，自然界中还有许多其他电磁波。例如，无线电波的波长可以长达几千米，而我们家使用的微波炉中的微波尺度大约是几毫米。有许多电磁波比可见光短，如紫外线、x光和伽玛射线。有原子大小的电磁波吗？当然有。那是x光。事实证明，除了在医院拍摄CT照片之外，x光还可以作为测量原子大小的一把“尺子”。为什么X射线能量来自原子排列？让我们回想一下水波。把石头扔进池塘会产生美丽的水波。如果你在水面上放一块有孔的木板，你会发现水波可以“穿过”这个孔，形成圆形的辐射波纹。这是因为板中的孔与水波具有相同的波长，所以水波被衍射。

C60的分子结构及其固体单晶X射线衍射图

同样，可见光可以被衍射，而作为电磁波之一的x光也可以被衍射。关键是找到一个合适大小的“洞”。对于X射线，固体原子之间的间距与其波长完全相同，这是一个完美的洞。由于物质中原子之间的相互作用，原子通常在固体中有规则地排列。例如，C60，一种由碳原子组成的足球烯烃，被称为“世界上最完美的分子”。

沃森和克里克(左)通过x光衍射发现了脱氧核糖核酸双螺旋结构(右)(中)

C60分子也将规则排列形成固体结构。如果一束X射线照射到它上面，反射的X射线将在空间中形成一个特定的分布，并且在一维坐标系中可以看到衍射峰。不同材料中原子的排列是不同的。即使材料由相同的元素组成，不同的原子排列也会导致不同的物理性质。例如，软石墨和金刚石，世界上最硬的材料，是由碳原子的不同排列造成的。区分它们依赖于精确的“原子标尺”，如x光，来精确地确定原子在材料中的分布。甚至像脱氧核糖核酸这样复杂的双螺旋结构也可以用x光来“量化”。用x光代替可见光，人类的眼睛更精致了一步！