太神奇啦!科學家「拍攝」到了原子的真實結構,帶你走向微觀世界

我們知道地球上幾乎所有的物質都是由原子組成，原子是物質的基本組成單位。

構成物質的最小單位：原子

然而，原子是這樣的微小：大約10^-8cm，約合人類頭髮絲的100多萬分之一。

那麼好奇的您，是不是特別特別想知道原子到底長什麼樣？科學家們又是怎麼觀測並「量出」它大小的呢？

本期帶大家一起學習一下。

首先，回顧一下原子的結構

原子雖小，但它們還有內部結構，並非最基本的粒子。原子由帶正電的原子核和帶負電的原子構成。

原子核則由帶正電的質子和不帶電的中子構成。

原子結構示意圖

其次，認識一下原子空間結構

在原子中，原子核是原子中心的一個很小區域，原子的絕大部分空間都由電子「佔據」著。原子核幾乎構成了一個原子的全部質量；但電子決定了原子的體積大小。

原子的空間構圖

有了上面原子知識的基本鋪墊後，下面進入正題：

一、原子大小的測量

根據量子力學的海森堡「不確定性原理」，電子沒有一個確定的運行軌道，它們是隨機出現在原子核周圍任意位置的。而且也無法同時測量出電子的位置和速度。我們只能通過概率來描述電子在某一時刻出現在某一個位置上的可能大小，既所謂的電子云。

電子顯微鏡下的原子「成像」

原則上，原子核的中心到電子云邊緣的距離是原子半徑。但問題是，電子可以出現在任意地方，電子云的邊緣沒有明確的定義，這使得原子的大小也就沒有明確的定義。

同時原子所處的狀態不同，半徑也會變得不同。原子半徑主要有以下幾種：

（1）共價半徑

如果兩個原子共用電子，形成一個共價鍵的分子。這兩個原子核之間距離的一半被定義為共價半徑。

共價鍵的長度可以用x射線、電子、中子衍射和微波光譜來測量。通過調整光譜波長，就可以計算出分子的轉動慣量，從而計算出共價鍵的長度，這樣就能確定原子的共價半徑。

不同原子的共價半徑

（2）玻爾半徑

這是根據丹麥物理學家尼爾斯-玻爾冠名的。

根據玻爾模型，電子會在某特定軌道上繞原子核做圓周運動。

波爾及其提出的原子模型

電子繞原子核做圓周運動時，最低能量的軌道半徑被稱作波爾半徑。

波爾提出的原子核外電子軌道能級

波爾半徑可以通過理論計算出來。

（3）金屬半徑

在金屬晶格中，相鄰金屬原子核間距離的一半稱為原子的金屬半徑。

金屬晶體模型

用一束x射線射向晶格狀排列的金屬，在其特徵圖案中會形成一種清晰的斑點圖案。

通過該圖案就可反向計算出金屬晶體結構和金屬半徑。

（4）範德華半徑

分子中兩個相鄰但不成鍵的原子靠近至一定距離時，原子之間的推斥力使分子所能達到的範圍的一半，稱作是範德華半徑。

圖中的「2」--範德華半徑

根據範德華方程，結合範德華常數，就可以計算出來。

二、原子的觀測

若想觀測到單個原子，只能通過掃描隧道顯微鏡（STM）。

掃描隧道顯微鏡

這是因為原子的尺寸非常小，比可見光波長還要短很多，所以使用光學顯微鏡是無法直接對單個原子進行成像的。

2013年，科學家第一次「拍到」的氫原子結構。

氫原子核及外圍電子能級譜線

相關報導

此圖片是利用電子與測試樣品的相互作用，對得到的相關數據進行可視化處理，由計算機生成的圖片，不是看到的原子結構真實圖像。

不過，最近來自英國諾丁漢大學的納米材料教授安德魯-霍爾比斯託夫，和德國烏爾姆大學研究助理曹可誠博士領導的一個研究小組，藉助納米碳管的約束和透射電子顯微鏡（TEM），拍到了有史以來第一張原子圖片，那是以化學鍵結合在一起的兩個錸原子圖片。

兩個小黑點是拍到的兩個錸原子

錸是元素周期表中最後一個被發現的穩定元素，由於原子係數高、「塊頭大」較容易被高能電子束識別。

三、STM-洞察微觀世界的「眼睛」

由於STM具有極高的空間分辨能力。它的出現標誌著納米技術研究的一個最重大的轉折，因為在此之前人類無法直接觀測表面上的原子和分子結構，使納米技術的研究無法深入的進行。

現在，我們利用STM，物理學家和化學家可以研究原子之間的微小結合能，來製造人造分子，生物學家可以研究生物細胞染色體內的單個蛋白質和DNA分子的結構，進行分子切割和組裝手術，等等。