怎样观察微小的原子世界

日常生活的各种物质都是由大量的原子化合凝聚而成的，在化学的层次上，原子是构成物质世界的基本单位。那么，如何才能观察到材料中微小的原子呢？迄今为止，通常有两种办法。

一种是所谓衍射的方法，主要用于观察晶体中原子的排列。用一束射线照到晶体上，由于晶体中的原子是有序排列的，因此根据物理学原理，晶体原子的阵列与射线间的作用，将会使射线在出射时于某些方向上得到增强而其他方向上减弱，于是在照相底片或荧光屏上得到一个所谓的“衍射图样”。科学家们通过对晶体和射线间作用的分析计算，可以非常准确地根据“衍射图样”还原出晶体中原子的排列方式，从而构造出晶体中原子世界的微观图像。在实际研究中，所用的射线束可以是电子束也可以是X射线束，前者称为电子显微术，能分辨原子的高分辨率电子显微镜就是根据这个原理制成的。

用衍射方法只能观察晶体中的原子世界。对于无机晶体和简单的有机晶体，由于衍射图样的还原工作比较简单，通常可以较容易地还原出它们的原子排列结构图；而对于像蛋白质和核酸等大分子的晶体，其衍射图样的还原工作涉及的计算极其复杂，因此较难测定它们的原子排列结构图；对于完全无序的非晶材料，目前还无法用衍射方法观察其中的原子和原子排列结构。

与衍射方法不同，另一种称为扫描隧道显微镜的新型仪器，则是利用了电子在原子间的量子隧穿效应，使人们较为直观地“看”到了材料表面的原子，并可以移动、操纵这些原子。在量子隧穿效应中，隧穿电流和原子间的距离有十分敏感的依赖关系。当用顶端只有一个原子的针尖在材料表面移动时，针尖和材料间的隧穿电流是与电子在针尖顶端原子和材料表面某一个原子间的跃迁过程联系在一起的，由此可以分辨出材料表面的单个原子。

扫描隧道显微镜的优点是能较为直接地观察材料表面的原子排列结构，它不仅适用于晶体材料，也可用于多晶和无定形材料表面的研究，但俞提是材料必须导电。不过，扫描隧道电子显微镜“看”不到材料内部深处的原子。

关键词：原子排列结构 电子显微镜 扫描隧道显微镜 量子隧穿效应