光學顯微鏡下能看到的最小的東西是什麼?怎麼樣才能看到原子?

2020-12-04 科技小麋鹿

光的研究歷史和力學一樣，在古希臘時代就受到了特別關注。人們對這個看得見，卻摸不著的事物非常好奇，光的反射定律在歐幾裡德時代就已廣為人知。然而，在自然科學與宗教分離之前，人類對光本質的理解幾乎沒有任何進展，只停留在對光的傳播和應用的理解層面。另外歷史告訴我們，其實早在戰國初期，墨家創始人墨子就發現了光的反射規律，成為了最早的光學理論。

早在17世紀，關於這個問題，出現了兩種聲音：波動說和粒子說。1925年，法國物理學家德布羅意提出了所有物質都具有波和粒子的二象性的理論，即所有物體都是波和粒子。隨後，德國著名物理學家普朗克等科學家建立了量子物理理論，充分拓展了人類對物質性質的認識。

綜上所述，光的本質應被視為「光子」，是電磁波，具有波粒二象性。它不是機械波，而是統計意義上的一種波。同時，光具有動態質量，其質量可以根據愛因斯坦的質能方程來計算。其實在如今，也沒有人真正理解什麼是「光量子」，包括愛因斯坦本人。

人體視覺結構

我們知道，人的視覺器官主要由眼睛、視神經和與大腦有關的部分組成。眼睛就像照相機。它的瞳孔就像照相機的光圈，瞳孔周圍的虹膜起著光圈的作用。它可以根據光線強度調整瞳孔大小，控制進入眼睛的光線量。這個鏡頭就像照相機的鏡頭一樣，在視網膜上聚焦和成像外部世界。

視網膜中的光感受器細胞通過視神經將感覺信息傳遞到大腦視覺中樞，形成對光影、顏色、形狀、動態、距離等的視覺感知，從而獲得外界的信息。

視網膜上的感光細胞有兩種，在正對瞳孔的中央部分布著密集的錐狀細胞，在中央部位的四周則主要是杆狀細胞。錐狀細胞約800萬個，又有三種類型，分別對光譜中的紅綠藍三區域的光產生反應。而杆狀細胞約1.2億個，其靈敏度高，能感受微弱的光。

當然，人類要看到這個世界，還是需要光這個傳輸信息的媒介，通過光才能接受外部世界的視覺信息。可見光是電磁波譜中人眼可以感知的部分，可見光譜沒有精確的範圍；一般人的眼睛可以感知的電磁波的頻率在380~750THz（大概是10^14Hz），對應的波長是在780～400nm之間，據研究其實有一些人能夠感知到頻率大約在340~790THz，波長大約在880～380nm之間的電磁波。

對於人而言，可感受的電磁波的頻率是在這樣的範圍內，那麼其他生物能看見的光波範圍也是跟人類不一樣的，有些昆蟲能看見紫外線波段。

其實諸如細菌，細菌甚至塵蟎之類的東西都在我們周圍，但我們的肉眼看不見。

我們的肉眼（具有正常視力的普通眼，不受任何其他工具的輔助）可以看到小至約0.1毫米的物體。從角度來看，人通常用肉眼可以看到的最細小的東西是人的頭髮（用肉眼和在顯微鏡下）和蝨子（用肉眼和在顯微鏡下）。

但是，藉助強大的顯微鏡，人類可以看到肉眼無法看到的難以置信的微小事物。直到最近，標準顯微鏡仍可讓您看到小至1微米（等於0.001毫米）的物體。

還有像人類發明的夜視儀也是收集紅外線或其他波段的不可見光，通過裝置轉化成我們可見的波段。

光學顯微鏡

光學顯微鏡相當於兩個正透鏡成像，原理是把觀察物放在物鏡的一倍焦距附近以外，通過物鏡在目鏡前一倍焦距內成一個初步放大的像，再通過目鏡對這個像成一個二次放大的虛像讓人眼觀察。

如果不藉助光學顯微鏡，首先對於很小的物體，其實我們的眼睛中沒有足夠的視錐細胞，而大腦沒有足夠的視神經可以看到如此小的細節，但是這不意味著您的大腦可以分辨不出遠遠超出您的眼睛實際能看到的細節。

對於一個細胞來說，光學顯微鏡可以觀察到線粒體、葉綠體、液泡、核仁等大小超過0.2微米的結構。但是對於原子級別的那麼光學顯微鏡就無能為力了，原子的直徑只有10的-8次方cm,即0.1納米，而普通光學顯微鏡連看到1nm都是非常困難的。

光有波粒二象性，它有一個波長，正因為如此，像波浪一樣的光因為衍射效應（光在傳播過程中,遇到障礙物或小孔時,光將偏離直線傳播的途徑而繞到障礙物後面傳播的現象,叫光的衍射）導致我們是看不到小於光波長的物體的。所以理論極限是可見光的波長，小於數百納米的特徵是無法被識別的。對於傳統顯微鏡，也很難看到比光波長還小的光。

電子顯微鏡

如果您想要獲得更大的放大倍數，則需要使用波長更小的物體。一種常用的是用電子代替光，因為電子儘管它看起來像粒子，但它也是波，而且波長要短得多，因此您可以看到很小得多的東西。

電子顯微鏡分為掃描電子顯微鏡（SEM，解析度大概在6~10nm）和透射電子顯微鏡（TEM，解析度大概在0.1~0.2nm）。

其實目前還有另外一種掃描隧道顯微鏡（STM），它的探測級別是原子級的，它的基本原理是利用量子理論中的隧道效應 。將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小於1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極 。它主要是用測量尖端與物體之間的電流，通過電流數據三維構建成像，從而可以測量到大原子。

電子顯微鏡成像下的原子

但這遠不是僅此而已，未來的探測人員們的顯微設備可能還有更大的更新和突破。

最後

可見，這個世界還有許多的信息是我們人類感知不到的，假如我們的可見光範圍在另外一個頻段，那麼這個世界又是怎樣的一番景象呢？

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