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原子是一种非常小的微粒 ， 这是我们都知道的 ， 那原子究竟小到了什么程度呢？我们不妨来简单计算一下 ， 看看1克铜含有多少个铜原子 。

在元素周期表中可以看到 ， 铜的相对原子质量为63.55 ， 也就是说1摩尔（mol）的铜的质量为63.55克 ， 根据定义 ， 1摩尔的铜含有大约6.02 x 10^23个铜原子 ， 据此我们可以计算出 ， 大约每1克铜就有95万亿亿个铜原子 。
真是“不算不知道 ， 一算吓一跳” ， 原来原子居然这么小 ， 区区1克的铜 ， 就含有数量如此庞大的铜原子 。 那么问题就来了 ， 像原子这么小的微粒是怎么被观察到的呢？

通常来讲 ， 我们只需要利用光学显微镜将某个微小的物体放大到足够的倍数 ， 就可以直接看到该物体了 ， 但对于原子这种尺寸的微粒来讲 ， 这是行不通的 。
光学显微镜是利用可见光进行观察的 ， 而可见光的波长大约介于390至780纳米之间（注：1纳米=10^-9米） ， 相对而言 ， 原子的直径数量级则为10^-10米 ， 由于可见光的波长远远大于原子的直径 ， 因此当可见光遇到原子时 ， 就会发生明显的衍射 ， 在我们看来就是一片模糊 ， 根本无法清晰成像 。
实际上 ， 即使是紫外线和X射线 ， 也无法满足观察原子的精度 ， 而波长更短的伽马射线 ， 则会因为能量太高而极易破坏原子 ， 并且还极易发生散射 ， 导致无法聚焦 ， 所以也不适合用来观察原子 ， 那怎么办呢？科学家选择了电子 。

由于电子同时具备了“波”和“粒子”的双重性质（即波粒二象性） ， 其波长很短（数量级可达10^-12米） ， 因此电子就成了观察原子的良好选择 。
早在1933年 ， 柏林工业大学压力实验室的恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）就成功制造出了世界上第一台电子显微镜（Electron Microscope ， 简称EM） ， 简单来讲 ， 这种显微镜的工作原理就是 ， 向观察目标发射高能电子束 ， 然后观测电子束与观察目标发生相互作用时产生的各种效应 ， 并将其转化为人眼能够识别的图像 。

（世界上第一台电子显微镜）
在经过多年发展之后 ， 电子显微镜已经可以将观察目标放大200万倍以上 ， 其分辨率也能够达到0.2纳米 ， 以这样的水平 ， 观察成片的原子是没有什么问题了 ， 不过科学家还想更进一步 ， 去仔细观察单个的原子 ， 于是就有了后来的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope ， 简称STM） 。
扫描隧道显微镜由IBM苏黎世研究实验室的格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）于1981年研制成功（顺便讲一下 ， 在1986年的时候 ， 他们与前文提到的恩斯特·鲁斯卡一起获得了诺贝尔物理学奖） 。

这种显微镜会用到一根非常细的探针（针头只有一个原子那么大 ， 可通过“电化学腐蚀法”或“机械成型法”来制备） ， 在进行观测工作时 ， 探针和观察目标之间会加上合适的电压 ， 当探针距离目标足够近时 ， 就会因为“量子隧穿效应”而产生隧道电流 ， 在这种情况下 ， 当探针扫描单个原子的不同部位时 ， 流过探针的隧道电流就会出现细微的涨落 ， 将这种涨落进行图像化处理之后 ， 就获得了原子的形状 。
【1克铜就有95万亿亿个铜原子，这么小的微粒是怎么被观察到的？】扫描隧道显微镜的分辨率可达0.01纳米 ， 观察像铜原子这么小的微粒可以说完全没有问题 ， 但它却有一个缺点 ， 那就是它只适合用来观察导体 ， 对半导体的观测效果就很不理想了 ， 而对绝缘体则根本就不能观测 。
为了解决这个问题 ， 格尔德·宾宁又与斯坦福大学的卡尔文·奎特（Calvin Quate）于1985年发明了原子力显微镜（Atomic Force Microscope ， 简称AFM） 。

原子力显微镜同样也需要一根非常细的探针 ， 探针位于一个对力的变化极为敏感的微悬臂的末端 ， 由于原子之间存在着相互作用力（如范德华力） ， 因此当探针扫描单个原子的不同部位时 ， 微悬臂就会产生细微的起伏或振动 ， 将检测到的数据进行图像化处理之后 ， 就可以获得原子的形状 。