原子如何能夠被人類“看見”呢？或者說人類是怎麼認識到原子在材料中分佈甚至“感知”到原子的呢？世界上只有x射線的波長和原子大小相當嗎？

我們的世界由無數個很小很小的原子組成，這些原子直徑在10~10米左右，即百億分之一米。為了衡量原子尺度下的各種現象，“米”這個長度已經顯得太大，人們習慣定義十億分之一米(10-9米)為1奈米，原子也就只有0.1奈米左右那麼大。材料中原子之間間隔大概在0.1~10奈米之間，一滴水或一粒米里面的原子數目大的驚人，即使是讓全地球60億人來數的話，也要數幾百萬年才能數完！尺寸如此之小，而數目有如此之多的原子們，如何能夠被人類“看見”呢？或者說人類是怎麼認識到原子在材料中分佈甚至“感知”到原子的呢？我們知道，人類肉眼的解析度僅有0.1毫米，而光學顯微鏡的放大倍數也只有一兩千倍左右。因此，如果用傳統的光學顯微鏡的話，只能看到100奈米尺度下的物體，比如細胞和細菌等。要知道，最小的細菌裡面其實還有成千上萬個原子呢！由此看來，傳統顯微鏡是不可能看到原子的。問題的原因在於，光學顯微鏡實際上是用可見光作為“尺子”來衡量物體的，而可見光的波長在幾百到一千奈米左右，比原子可要大多了！用大尺子去量一個小物體，怎麼可能量得準確？

看來要解決問題的關鍵在於尋找到一把合適大小的“尺子”。我們知道，其實可見光不過是一種極其普通的電磁波，在自然界中還存在許多其他電磁波。比如無線電波的波長就可以長達數千米，而我們家庭用的微波爐中的微波尺度大概在毫米量級。比可見光更短的電磁波還有很多，比如紫外線、x射線和伽馬射線。有沒有和原子直徑差不多大小的電磁波？當然有，那就是x射線。原來，x射線除了在醫院用來拍片照CT之外，還可以作為一把衡量原子大小尺度的精細“尺子”。為什麼x射線能量出原子排布的呢？讓我們回想一下水波，往水塘裡扔一顆石子就會盪漾起美麗的水波，如果放一塊有洞的木板在水面，你會發現水波能夠“穿過”洞口形成圓狀輻射的波紋，這是因為木板上的洞和水波的波長差不多，所以水波就衍射出來了。

類似地，可見光也能實現衍射，而x射線作為電磁波的一種，同樣可以出現衍射。關鍵在於要尋找到合適大小的“洞”，對於x射線而言，固體原子之間的間距恰好和它的波長相當，是一個再合適不過的洞了。由於材料中原子間的相互作用，原子在固體中往往是呈規則排列的，比如C60，就是一個由碳原子組成的足球烯，號稱“世界上最完美的分子”。

一個C60分子也會規則排列起來形成固體結構，如果用一束x射線照射進去，那麼反射出來的x射線就會在空間上形成特定的分佈，在一維座標系上看到的就是一個個的衍射峰。不同材料中原子排布各不相同，即使是由相同元素組成的材料，原子排列方式不一樣也會造成物理性質天壤之別。比如質地柔軟的石墨和世界上最堅硬的材料金剛石，就是由於碳原子的不同排列方式造成的，區分它們就要依賴於x射線等精密的“原子尺子”，才精確定出材料中原子的分佈情況。即使像DNA這麼複雜的雙螺旋結構，也能夠用x射線給“量”出來。用x射線替代可見光，人類的眼神又更“精”一步！世界上只有x射線的波長和原子大小相當嗎？還是有更多？量子力學告訴我們，所有的微觀粒子在既是粒子的同時，又是一種波，叫做德布羅意波。比如我們熟知的電子，它的波長在0.01到1奈米之間，和x射線非常類似。利用電子的微觀特性，科學家發明了掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)，它們的放大能力是普通光學顯微鏡的一千倍左右，因此能夠看到許多有趣的微觀世界。如SEM下的果蠅複眼和球表面的奈米顆粒，人們神奇地發現在微觀世界的材料也具有和宏觀世界中如植物花序類似的特徵，自然界所遵循的規律是何等地一致！TEM看到的是電子的衍射影象，就像x射線衍射一樣，是一堆有序分佈的斑點，透過對這些斑點的反演就可以得到材料中原子的分佈情況。　　不帶電的中子波長要更短，不同能量的中子波長分佈在百萬分之一奈米到0.1奈米之間，是一把更為精細的微觀尺子。中子因為不帶電，它會直接和原子核(直徑在百萬分之一奈米)發生相互作用，能夠準確地定出原子核的分佈排列。更重要的是，中子還帶有磁矩，就像一個微小的小磁鐵，它還能“感應”材料中磁矩的分佈方式，得出材料的磁結構。如今x射線、電子和中子衍射已經成為度量原子尺度下物理的重要“標尺”，在科學研究中發揮著不可替代的重要作用。除了用x射線、電子和中子來“看見”原子外，人們還發明瞭一種科學儀器可以“觸控”或“感知”原子，稱之為掃描隧道顯微鏡(STM)。形象來說，原子直徑範圍內主要是一堆電子(原子核佔的空間要小的多)，因此材料的表面實際上可以分解為一小撮一小撮的電子構成的“凹凸”不平的原子分佈，如果可以用原子大小的“指頭”去“觸控”的話，就能夠感知這些坑坑窪窪。STM正是利用了一個極其細小的針尖，頂端僅有一個或幾個原子。當針尖靠近材料表面的時候，電子會因為量子效應而隧穿到針尖上，離針尖距離不同的電子隧穿可能性差別很大。如果合適地控制針尖到表面的距離，保證隧穿過來的電子數目也即形成的隧穿電流大小基本不變，那麼就等於感受到了表面的“高低起伏”。如果保持針尖到表面的距離不變，而測量隧穿過來的電子數目(電流大小)，相當於感知到了表面電子數目的分佈情況，等效於原子的分佈。STM不僅能夠觸控原子，而且利用針尖和單個原子的相互作用，還可以人為地操縱原子，排布出文字圖案，甚至製作一個“量子圍欄”，裡面還有量子世界的“海市蜃樓”奇觀哦！

不是說我們的世界是經由原子堆砌起來的嗎？所以，原子不是不能被看見，也不是肉眼看不見，而是你每天每時每刻都看得見，更甚至就連你可以看見一切的雙眼，也是原子所堆砌起來的，還有大腦…當然，想要看到單個原子的話，那就必須要藉助一些特殊的光學顯微鏡以及一些特殊的方法，因為原子實在是太小太小了…