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人类是怎样观察到微小的原子世界的?

在进入太空遨游的同时,人类也在探索着分子、原子甚至比原子还小的微观宇宙。在几代显微镜的帮助下,人的视野正在向极小的世界中无限地延伸着。

17世纪,荷兰人列文胡克用他发明的光学显微镜观测到一滴水里竟含有270万个小生物,这些小生物快速地跑动着、扭动着、旋转着,使他大为惊讶。原来,一滴水也是一个复杂的小世界。

显微镜吸引了不少人,在欧洲成了时兴的桌上摆设饰品,也吸引住了德国海德堡一条街上的一个“过分淘气”的小男孩,他叫恩斯特·鲁斯卡。他的家人都知道,只有父亲书桌上这台放大1000倍的显微镜,才能使他静下心来坐上两三个小时。这台显微镜无疑为他展现了一个神奇的世界。可惜的是,用它看不到原子,因为这是一台光学显微镜,用它看不到比光波还小的东西。

鲁斯卡于1931年从柏林大学毕业。当时,电子时代的曙光已经来临,时代科技的发展,使他有机会实现他的夙愿。那时,已经得到证明,电子不仅是一种小的带电粒子,它还是一种波。电子波的波长比光波要短得多,要是把电子波汇聚起来,是否也能制成一台显微镜呢?如果制成了,它的放大作用应该比一般的光学显微镜大得多吧!这个想法使鲁斯卡兴奋不已,他与合作者诺尔一起,终于在1932年设计制造成功第一台电子显微镜。用电子波看东西,放大倍数确实比用光波看东西的普通显微镜大多了。起初只放大了4000倍,后来,经过物理学家希利尔的改进,电子显微镜可以放大7000倍。到70年代,电子显微镜放大倍数已经达到200万倍。

仪器更精确了,要求的工作条件也变得苛刻了,就连街上过往的车辆都会使电子显微镜拍摄的照片模糊不清。当时,鲁斯卡不得不设计一幢特殊的防震建筑用来安装这台显微镜。这是一座有双层墙壁和双塔式的房屋,每座塔屋里装了一台电子显微镜,用它成功地拍摄出了一堆堆原子的照片,清晰得使人吃惊。电子显微镜是20世纪的重大发明之一,鲁斯卡为此获得了诺贝尔奖。

正像人们向太空遨游无止境一样,在探索微小世界的征途上也没有头。

人类是怎样观察到微小的原子世界的?

20世纪80年代,又一代新的显微镜问世了,这就是扫描隧道电子显微镜。它是由西德物理学家格尔德·宾尼格和海因里希·罗赫尔联合设计制造成功的。为了它的问世,他们整整四年没有休息。最后,他们用这台仪器拍摄出放大1亿倍的硅原子立体景观图,这是类第一次看到物质世界的原子。这张图立即轰动了整个科学界。

扫描隧道电子显微镜的装备比电子显微镜复杂得多,它配备有自动控制仪,能像人使用自己的双眼一样,自动地进入或跟踪要观测的部位。它不仅能在真空里工作,也能在桌面上、油液里甚至在水下工作;它不仅能在常温下,还能在极冷的环境下工作;它能看静物,也能看快速运动着的东西,例如用它能看到细胞的分裂、原子的变化过程,它不仅给人类展现出原子、分子的相互作用过程,也使人类“看”到了生命的发展变化。

遗憾的是,扫描隧道电子显微镜只能用来观测导体的样品。后来,光位移原子力显微镜又应运而生。这种显微镜有一个极细、极尖的探头,只要对探头施加一亿分之一牛顿的力,使它在样品表面上移动,就能让它触摸到样品表面凹凸不平,这种起伏反映了样品的原子结构,探头连带一个小反射镜,当探头随着表面的凹凸上下振动时,就能使镜面上反射的激光来回偏转,通过激光的偏转情况,就能探知样品的原子结构。

人类是怎样观察到微小的原子世界的?

更令人惊奇的是,1989年11月,IBM阿尔马登研究中心的科学家、IBM院士Donald Mark Eigler和他的团队利用一具扫描隧道显微镜推动了一个个的原子,用35个氙原子砌成了英文缩写“IBM”3个字母,有5微毫米高。这项突破意味着人类可以将2000册杂志的文章浓缩在一个句号里面。

人类是怎样观察到微小的原子世界的?

显微镜不仅为人类提示了一个新的世界,也开拓了对物质结构研究的一个新领域。正如宾尼格在接受1986年诺贝尔奖时所说:“人类一旦掌握了原子,其创造力是无止境的,新型的显微镜将为人类揭开一个浩瀚而又充满刺激的未知世界。”

(责任编辑:化学自习室)
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