Friday, December 30, 2016

“看”原子

自从英国物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford)的散射试验确定了原子的存在和的基本组成后,人们开始处心积虑地试图直接“看到”原子的形状,甚至其内部结构。在卢瑟福的模型中,原子由一个极小的原子核和一些外围电子组成,原子核的大小在10-15米左右,除了通过散射实验能探测到它的存在以外,就当时乃至今天的科学技术都没有办法直接看到它们。但原子本身因为外围电子所占据的空间比原子核大得多,大约是在10-11或10-10米的数量级,也就是说比原子核大上一万倍或更多。通常原子的大小尺度由以瑞典物理学家Anders Jonas Ångström命名的长度单位“埃”来量度。一个埃是10-10米,正是原子的尺度。近年来,属于国际单位制的“纳米”越来越时髦,一个纳米是10埃,所以原子大小正好在纳米之下。随着科学技术的发展,纳米早已经不再是微不可及的尺寸了。

物理学家几乎立刻就知道卢瑟福的模型没法成立。如果带正电的原子核与带负电的电子在空间上分离,他们无法和平共处——正负电荷的吸引必然使得电子与原子核结合到一起。唯一可能是电子像行星那样围绕原子核转动,但运动中的电子会发出电磁辐射,从而逐渐损失能量无法保持其轨道。为了解决这个悖论,丹麦物理学家波尔(Niels Bohr)提出了一个不伦不类的模型,毫无理由地硬性规定电子只能在固定的轨道中运行,运行中不辐射能量,而只在不同轨道间跃迁时才有辐射。这个模型完美地解释当时所测量到的一系列原子辐射数据,因此尽管其出发点很荒唐,还是被大家所接受。电子在轨道上运行的图像更是深入普通大众的人心。在上个世纪相当长的时间,那是一个几乎所有与电有关的图像。中国的中央电视台就长期使用一个带这个图像的标志。

波尔原子模型的内在矛盾直到量子力学发展以后才得以解决。在量子物理中,电子不再是一个经典意义的粒子,也就谈不上沿着什么轨道运行。电子只是处于某个由波函数描述的量子态上,其波函数描述电子在原子核周围各处存在的几率。因此电子既不在某个点上,也不在某条轨道上,而是近乎均匀地散布在空间。这个分布状态被形象地称作“电子云”。这对习惯于经典物理中的粒子世界的人是非常匪夷所思。


为了探测微观世界,科学家们陆续发明了各种各样的显微镜。我们通常看东西的可见光波长在几百个纳米范围,可以通过显微镜看到诸如细菌、细胞等微小物体,但对于几十纳米以下的结构就无能为力了。可见光之外的X射线以及电子束等的波长能达到纳米级甚至更低,可以用来探测物体的内部结构。这一类的显微镜利用的是波的反射、折射或衍射原理,能够推算出固体、液体及大分子内部原子之间的距离和角度,从而勾画出原子的排列图像。但它们看不到原子本身。

早在1930年代,科学家就发现可以利用另一种方式来观察物体的表面。通常,物体中的电子被原子核的吸引力束缚,除非获得很强的能量无法逃逸。当它们在诸如阴极射线管那样的被加热下作为射线逃出时,它们获得的能量已大大超过了它们原来在物体中的能量,从而无法通过它们获取物体表面的信息。这样的电子发射为“热发射”,即用热能来激发电子超出逃逸的壁垒。

神奇的量子力学提供了另一种逃逸的可能,即电子可以在没有获得超出壁垒的能量的情况下也能逃出,这个现象叫做“量子隧道”,就像电子没有翻山却挖了一条隧道通过壁垒一样。这样“冷发射”中逃出来的电子能量比较低,被探测后还可以顺藤摸瓜地反推出它的来源。1936年,德国物理学家穆勒(Erwin Muller)利用这个原理发明了第一个场效应显微镜,在超高真空中通过电场引发金属微小表面上电子冷发射,然后通过探测电子的分布还原出金属表面电子的分布(严格地说是电子能量或“功函数”的分布)。因为逃出的不是自由电子,而是束缚在一个个原子核周围的电子,这样的分布恰好就是原子本身的分布。在场效应显微镜的成像上,“原子”是一个个模糊的亮点。1955年,已经搬到美国的穆勒进一步发明了场离子显微镜,直接使失去了电子的原子,即离子,逃逸出来被探测到。这样还原出来的影像便直接就是原子在表面所处的位置,在照片中可以清晰地看到一个又一个规则排列着的原子。因此,穆勒常被称之为第一个看到原子的人。

场离子显微镜下观察到的原子排列。
场效应和场离子显微镜都只能在极小的探针头上的表面看到原子。近几十年发展成熟的扫描隧道显微镜(STM)和激光制冷技术则对看到和操纵原子上产生了突飞猛进的飞跃。采用这样的技术,今天科学家们不但可以看到平面上原子排列的清晰图像,还可以动手搬动单一的原子,把它们放到人们愿意它们去的地方。IBM公司就曾经因为人工制作了一个由单个原子排列出的IBM标志而轰动一时。


不过,这样看到的原子还只是原子作为一个整体的自身。能不能看到原子的内部结构和那神秘的电子云呢?

2009年,乌克兰的科学家第一次成功地直接看到了原子内部电子云的结构。他们利用最新技术把单个的碳原子排成一列,然后用精度极高的场效应显微镜观测单一原子。他们得到了下面的图像:
这里的原子不再只是一个亮亮的斑点,而开始呈现出内部的结构。左边的图像是处于基态(S)的电子云,就像一个球一样完全对称。右边那一个则是第一激发态(P)的电子云,像一只哑铃那样有两个极点。这正是教科书里常见的理论计算出的电子云的形状,现在我们能直接“看到”它们了。

最近(2013年5月),科学家又获得了进一步的突破,他们利用原子力显微镜(扫描隧道显微镜的改进型)不但能看到石墨烯中原子周围的电子云,而且还观察到原子之间形成化学键的变化过程。他们获得的图像再一次表明量子力学所描述的电子云和化学键是极其真实的存在。

(2009年9月19日初稿,2013年5月31日补充)


科普

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