原子能被“看得见”、“摸得着”么?

作者:罗会仟来源:蝌蚪五线谱发布时间:2013-07-24

原子如何能够被人类“看见”呢?或者说人类是怎么认识到原子在材料中分布甚至“感知”到原子的呢?世界上只有x射线的波长和原子大小相当吗?敬请期待探索解密。

  我们的世界由无数个很小很小的原子组成,这些原子直径在10~10米左右,即百亿分之一米。为了衡量原子尺度下的各种现象,“米”这个长度已经显得太大,人们习惯定义十亿分之一米(10-9米)为1纳米,原子也就只有0.1纳米左右那么大。材料中原子之间间隔大概在0.1~10纳米之间,一滴水或一粒米里面的原子数目大的惊人,即使是让全地球60亿人来数的话,也要数几百万年才能数完!尺寸如此之小,而数目有如此之多的原子们,如何能够被人类“看见”呢?或者说人类是怎么认识到原子在材料中分布甚至“感知”到原子的呢?

用传统显微镜观察细胞

用传统显微镜观察细胞

  我们知道,人类肉眼的分辨率仅有0.1毫米,而光学显微镜的放大倍数也只有一两千倍左右。因此,如果用传统的光学显微镜的话,只能看到100纳米尺度下的物体,比如细胞和细菌等。要知道,最小的细菌里面其实还有成千上万个原子呢!由此看来,传统显微镜是不可能看到原子的。问题的原因在于,光学显微镜实际上是用可见光作为“尺子”来衡量物体的,而可见光的波长在几百到一千纳米左右,比原子可要大多了!用大尺子去量一个小物体,怎么可能量得准确?

电磁波谱

电磁波谱

  看来要解决问题的关键在于寻找到一把合适大小的“尺子”。我们知道,其实可见光不过是一种极其普通的电磁波,在自然界中还存在许多其他电磁波。比如无线电波的波长就可以长达数千米,而我们家庭用的微波炉中的微波尺度大概在毫米量级。比可见光更短的电磁波还有很多,比如紫外线、x射线和伽马射线。有没有和原子直径差不多大小的电磁波?当然有,那就是x射线。原来,x射线除了在医院用来拍片照CT之外,还可以作为一把衡量原子大小尺度的精细“尺子”。为什么x射线能量出原子排布的呢?让我们回想一下水波,往水塘里扔一颗石子就会荡漾起美丽的水波,如果放一块有洞的木板在水面,你会发现水波能够“穿过”洞口形成圆状辐射的波纹,这是因为木板上的洞和水波的波长差不多,所以水波就衍射出来了。

C60分子结构及其固态单晶x射线衍射图

C60分子结构及其固态单晶x射线衍射图

  类似地,可见光也能实现衍射,而x射线作为电磁波的一种,同样可以出现衍射。关键在于要寻找到合适大小的“洞”,对于x射线而言,固体原子之间的间距恰好和它的波长相当,是一个再合适不过的洞了。由于材料中原子间的相互作用,原子在固体中往往是呈规则排列的,比如C60,就是一个由碳原子组成的足球烯,号称“世界上最完美的分子”。

沃森和克里克(左)利用x射线衍射(中)发现DNA双螺旋结构(右)

沃森和克里克(左)利用x射线衍射(中)发现DNA双螺旋结构(右)

  一个C60分子也会规则排列起来形成固体结构,如果用一束x射线照射进去,那么反射出来的x射线就会在空间上形成特定的分布,在一维坐标系上看到的就是一个个的衍射峰。不同材料中原子排布各不相同,即使是由相同元素组成的材料,原子排列方式不一样也会造成物理性质天壤之别。比如质地柔软的石墨和世界上最坚硬的材料金刚石,就是由于碳原子的不同排列方式造成的,区分它们就要依赖于x射线等精密的“原子尺子”,才精确定出材料中原子的分布情况。即使像DNA这么复杂的双螺旋结构,也能够用x射线给“量”出来。用x射线替代可见光,人类的眼神又更“精”一步!

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