顯微鏡放大40億倍，能看到什麼？盧瑟福100多年前看到了原子核！

2020-10-18 星辰大海種花家

光學顯微鏡是我們進入微觀世界的必備工具，但它卻不是萬能的，根據它的光學結構與可見光波段的波長範圍，它的的極限放大倍數是有限的！光學顯微鏡的極限放大倍率

顯微鏡的放大倍率是由不同的物鏡和目鏡組合決定的，但極限放大倍率卻和物鏡目鏡沒啥關係，這和肉眼可視的可見光範圍是相關的，一般光學顯微鏡的放大倍率可以用如下經驗公式展現：

R≈λ/2

R為物體最小可分辨距離，λ為入射光的波長，假如我們肉眼能看到的上限紫光與紫外波長380nm極限計算的話，大約是是190nm，按我們肉眼極限解析度在25mm時的極限解析度0.2mm計算的話，那麼放大倍率為：

D=0.2/190×10^6=1050倍左右

現代光學顯微鏡的極限解析度大約為1500-2000倍，那是因為顯微鏡的等效視物距離跟肉眼對比的25MM有差異。這個倍率上再增加就沒有意義了，因為視野中一片黑暗，再亮的入射光線也沒有用，因為已經低於肉眼可見極限波長的一半了，再大的倍率也是徒勞！

有比光顯微鏡更大倍率的顯微鏡嗎？

我們從上文知道了與放大倍率除了和物鏡和目鏡相關外，決定性因素是入射光的波長，波長越短，理論放大倍率越高，但380nm已經進入了紫外光的波段，肉眼已經不可見了，那麼還能在提高倍率嗎？

  • 將入射光換成X光，肉眼換成X光敏感的攝像頭即可

那麼它的理論放大倍率將會大幅度增加，因為X光波的波長更短！它的波長在在0.001～10納米之間可以滿足更高的倍率要求，但X在光學玻璃透鏡上無法完成折射放大，它的折射放大過程由波帶片來完成。

X光顯微鏡

  • 假如還要更大的倍率呢？電子顯微鏡能滿足要求！

很多朋友可能不理解電子為什麼也能拿來放大圖像，其實這是利用電子的波粒二象性來作為「光源」的！當然電子束在100千伏電壓加速下時，對應的波長為0.004nm，如果需要短的波源，那麼提高加速電壓，當然電子顯微鏡也只能在一定範圍內調整，並不能隨心所欲按你想要的倍率調整，要不然你得升級一臺更高加電壓的電子顯微鏡！

現代電子顯微鏡的極限放大倍率已經達到300萬倍！基本上能看到原子級別了！

利用掃描隧道顯微鏡(STM)可以得到物質表面原子排列的圖象

  • 更高放大倍率的顯微鏡，用什麼波長來實現？加速器！

如果要按放大倍率來計算，那麼加速器的的能級是電子顯微鏡望塵莫及的，比如北京正負電子對撞擊機的能級達到了20億到50億電子伏特！但這並不只是加速器的主要原理，而是高能粒子相撞就如兩個核桃撞擊後碎裂，被我們窺探到了內部結構！

當兩個質子相撞時我們可以對單個組分自旋的觀測，如果達到更高哦碰撞能量，那麼有可能發現和創造新的粒子！

40億倍是什麼概念？能看到什麼？

開頭說明了人的極限解析度大概在25mm下是0.1mm-0.2mm，那麼在40億倍下大概能看清2.5×10^-15m的級別！

質子的直徑大約為：1.6-1.7×10^-15m

也就是說可以看到原子核內部的質子和中子，假如按電磁波段來計算的話，這個波長需要5×10^-15m的電磁波，這個波長早已位於極高能的λ射線波長範圍內了！

當然我們不需要高能λ射線來給我們提供觀測，因為這個工作在100多年前讓盧瑟福用α粒子散射的方式發現原子核了！假如更早一點提出啦的話，說不定你就能獲得當年的諾貝爾獎了呢！

盧瑟福用α粒子去轟擊金箔，發現絕大部分的α粒子都直接穿過了金箔，只有極少數發生了偏轉只有極微量的粒子被回彈，盧瑟福根據這個發現重構了原子內部的結構，發現了原子核！

所以從理論上看，100多年前的盧瑟福就利用「α粒子散射」實現了放大40億倍的「顯微鏡」，這是不是解決40億倍放大的思路？而根據楊振寧的楊米爾斯方程和楊巴克斯方程、通過高能加速器的驗證，建立的標準粒子模型，各位可以看看這個級別是多少億倍的！

當然這已經不能被用倍數來形容了，原子核內的世界，我們是不能用直接測量的方式來觀測，各位有聽說過哪個電子顯微鏡看到了原子核？這不可能嘛，但我們仍然了解到了原子核內發生的過程，甚至組成原子核的質子與中子的內部世界，你不覺得科學的神奇嗎？

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    我們簡單計算一下放大多少倍能夠看到原子核。原子直徑的理論數量級約10^-10m，也就是100億分之一米，放大100億倍，原子看起來就有1米直徑。如果看到的這個原子核有1毫米大，理論上應該能夠計算出裡面最簡單原子核裡面的質子和中子了，如氫、氦、鋰、鈹、硼、碳等，裡面的質子只有1~6個，這些元素如果中子與質子相當還可能能夠看出，複雜一點的同位素或重原子核根本無法看清楚。如果放大後相當1釐米大小，大概是可以看出重元素原子核內部情況了吧？我們看一下需要放大多少倍。
  • 放大多少倍可以看到原子核,電子顯微鏡能看到多小的粒子?
    我們簡單計算一下放大多少倍能夠看到原子核。原子直徑的理論數量級約10^-10m，也就是100億分之一米，放大100億倍，原子看起來就有1米直徑。不要以為放這麼大就可以看清原子內部了，還早著呢。如果放大後相當1釐米大小，大概是可以看出重元素原子核內部情況了吧？我們看一下需要放大多少倍。如果要把原子核放大到1毫米大小，就需要比100億倍再加100倍，要放大到1釐米大小，就需要在100億倍基礎上再增加1000倍，這樣顯微鏡就需要達到10000億~100000億倍。
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