原子能“看得见”、“摸得着”么?

原子有多大?如何知道固体中原子的排布?怎么“触摸”或“感知”原子? 

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?

图1 传统显微镜观察细胞

图1 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,怎么可能量的准确?

图2 电磁波谱

图2 电磁波谱

图3  C60分子结构及其固态单晶x射线衍射图

图3 C60分子结构及其固态单晶x射线衍射图

图4  沃森和克里克(左)利用x射线衍射(中)发现DNA双螺旋结构(右)

图4 沃森和克里克(左)利用x射线衍射(中)发现DNA双螺旋结构(右)

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。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”。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,如果仔细用x射线尺子度量的话,你就可以还原出材料中原子的分布。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!

图5 水波、可见光、x射线、电子和中子的衍射图

图5 水波、可见光、x射线、电子和中子的衍射图

图6 扫描电镜下果蝇的眼睛(左)和纳米颗粒在球面分布 (中)对应自然植物的花序

图6 扫描电镜下果蝇的眼睛(左)和纳米颗粒在球面分布 (中)对应自然植物的花序

世界上只有x射线的波长和原子大小相当吗?还是有更多?量子力学告诉我们,所有的微观粒子在既是粒子的同时,又是一种波,叫做德布罗意波。比如我们熟知的电子,它的波长在0.01到1纳米之间,和x射线非常类似。利用电子的微观特性,科学家发明了扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM),它们的放大能力是普通光学显微镜的一千倍左右,因此能够看到许多有趣的微观世界。如SEM下的果蝇复眼和球表面的纳米颗粒,人们神奇地发现在微观世界的材料也具有和宏观世界中如植物花序类似的特征,自然界所遵循的规律是何等地一致!TEM看到的是电子的衍射图像,就像x射线衍射一样,是一堆有序分布的斑点,通过对这些斑点的反演就可以得到材料中原子的分布情况。

图7 固体材料的中子衍射示意图

图7 固体材料的中子衍射示意图

不带电的中子波长要更短,不同能量的中子波长分布在百万分之一纳米到0.1纳米之间,是一把更为精细的微观尺子。中子因为不带电,它会直接和原子核(直径在百万分之一纳米)发生相互作用,能够准确地定出原子核的分布排列。更重要的是,中子还带有磁矩,就像一个微小的小磁铁,它还能“感应”材料中磁矩的分布方式,得出材料的磁结构。如今x射线、电子和中子衍射已经成为度量原子尺度下物理的重要“标尺”,在科学研究中发挥着不可替代的重要作用。

图8 英国卢瑟福实验室的Diamond同步辐射光源和ISIS散裂中子源

图8 英国卢瑟福实验室的Diamond同步辐射光源和ISIS散裂中子源

除了用x射线、电子和中子来“看见”原子外,人们还发明了一种科学仪器可以“触摸”或“感知”原子,称之为扫描隧道显微镜(STM)。形象来说,原子直径范围内主要是一堆电子(原子核占的空间要小的多),因此材料的表面实际上可以分解为一小撮一小撮的电子构成的“凹凸”不平的原子分布,如果可以用原子大小的“指头”去“触摸”的话,就能够感知这些坑坑洼洼。STM正是利用了一个极其细小的针尖,顶端仅有一个或几个原子。当针尖靠近材料表面的时候,电子会因为量子效应而隧穿到针尖上,离针尖距离不同的电子隧穿可能性差别很大。如果合适地控制针尖到表面的距离,保证隧穿过来的电子数目也即形成的隧穿电流大小基本不变,那么就等于感受到了表面的“高低起伏”。如果保持针尖到表面的距离不变,而测量隧穿过来的电子数目(电流大小),相当于感知到了表面电子数目的分布情况,等效于原子的分布。STM不仅能够触摸原子,而且利用针尖和单个原子的相互作用,还可以人为地操纵原子,排布出文字图案,甚至制作一个“量子围栏”,里面还有量子世界的“海市蜃楼”奇观哦!(文  罗会仟)

图9 扫描隧道显微镜的原子及实现

图9 扫描隧道显微镜的原子及实现

图10 用STM移动原子“写”出的文字和“量子围栏”

图10 用STM移动原子“写”出的文字和“量子围栏”

 [作者注]本文发表在《科学家》杂志2014年第四期