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一、一组图看懂扫描电子显微镜(SEM)

对于那些正在寻求提升实验技能，或担心面试中被问及实验室经验的同学，别担心，今天我们将通过一组直观的图片，带你轻松理解扫描电子显微镜（SEM）的魅力。对视觉爱好者来说，如果你想要更深入的了解，点击下方链接直达清华大学微纳加工中心精心录制的视频，那里有详尽的讲解等待你探索。

扫描电子显微镜：微观世界的观察者

扫描电子显微镜是材料科学领域的一把尖锐工具，它的存在极大地丰富了我们对材料形态、界面现象、损伤机制以及性能预测的认识。通过SEM，我们可以揭示晶体缺陷的奥秘，观察金属内部原子的精密排列和它们的真实界面，观察边界在不同条件下的动态变化，甚至洞察表面加工过程中产生的损伤和辐射效应。每一幅微观图像，都是对材料世界的一次深入探索，揭示了微观结构与宏观性能之间的微妙联系。

无论你是初次接触SEM，还是希望提升实验技能，这组图片将为你开启一扇通往微观世界的大门。让我们一起通过这些直观的视觉资料，增强对SEM的理解，为未来的实验室挑战做好准备。

二、原子内的世界，用高倍显微镜看起来，就是一个宇宙吗?

其实不得不说是，如果确实用高倍显微镜去观察原子内的世界，会发现原子核电子本身构成的世界就非常微妙，而且如果深入了内部去了解的话，一个原子就是代表着一个未知的事迹，所以从某些意义上来讲，我们所处的时空也可能被一个更大的时空包含在里面，所以也可以从以下几个方面出来思考问题。

1，原子内部的世界确实是一个微观的宇宙，而且被包含在原子里面。

其实我们会发现原子内部的世界确实是一个相对较为微观的宇宙，而且里面众多的现象相对较为神秘，从某些意义上来讲，用高倍显微镜去观察原子内部的世界，会发现万物的运作有统一的规律，而且原子内部的微观世界，可以当做我们的宇宙的缩影。

2，原子内部的世界确实是一个微观的宇宙，而且我们所处的宇宙也可能被一个更大宇宙包含在里面。

其实不得不说，是我们仔细发现原子内部的世界确实是一个相对较为微观的世界，从某些意义上来讲，我们可以去猜测我们所处的宇宙，可能确实被另一个更大的宇宙包含在其中，而我们所处的世界也可能是我们眼中的原子的视角被他人所观察。

 3，任何事物都是在不断的变化发展的，所以原子核的内部是一个相对较为完善的微观事迹，可能我们所处的宇宙就包含在其中。

其实有很多科学家推测，我们所处的宇宙是一个相对较为抽象的概念，所以正因为如此，我们所处的宇宙是否是真实也是值得推敲的，但是如果用微观世界去观察原子内部的世界的话，那么这个时候我们会发现每一个微观事物里面都有一个我们所处宇宙的缩影，所以对我们来说世界太过于神秘，更需要不断的探索，发现了解这个世界的奥秘。

对我们来说，原子内部的世界用高倍显微镜看确实是一个微型的宇宙，而且万物运作本身富含很多的奥秘，只能通过科技的发展，帮助我们更好的了解宇宙本身存在的存在形态。

显微镜下真实的原子，一览无遗！

2023-11-16 13:14·西安科普

世界万物都是由微小的原子构成，那原子到底长啥样？我们现在的科技可以看到原子吗？

大家现在看到的这个画面就是由一个个原子排列所形成的画面，画面中那些不断排列的微小颗粒，便是一个个原子，这幅相关动画是由IBM公司在2013年利用扫描隧道显微镜操纵单个原子所制作。在1981年，美国IBM公司的两位科学家根据量子隧穿效应，创造发明了扫描隧道显微镜，扫描隧道显微镜的面世，便把我们人类的视角带入了原子层面，它让我们对原子有了更加直观的感受，但我们知道原子模型的建立是在上世纪30年代，这时的人们还没有如此先进的科学仪器，那他们又是如何了解原子以及发现原子的内部结构的？我们人类对原子结构的了解，可追至19世纪末对电子的发现说起，在这个时期，虽然还没有像如今强大的科学仪器，但这时却有着一群充满斗志的英雄豪杰，他们凭借着坚韧的意志以及敏锐的观察，一步一步为我们人类打开了微观世界的大门。在19世纪时，这时的物理学家普遍都在研究一个被称为克鲁克斯管的实验装置，这个装置是一个被抽了真空的真空管，在真空管中有两个电极，一个正极和一个负极，当给这两个电极通电时，在阴极会发射出一束射线，射线打在荧光板上就会发光，所以，也称这个射线为阴极射线。

这个就是在当时很流行的一个实验装置，虽然它看着很简单，在我们眼里这就是一个很普通的装置，但当时的物理学家就是凭借这个装置撬开了原子的世界大门。克鲁克斯管会释放阴极射线，那它为何会释放射线，释放的这些射线又到底是什么？是微粒又或是1种波呢？这是当时物理学家对阴极射线的疑问。在一八九七年，英国籍科学家汤姆逊在对阴极射线开展科学研究时，他惊奇的发现，这些射线的本质竟是一粒粒比原子还要小的微粒。在1897年，汤姆逊对克鲁克斯管进行了改造，他给阴极射线加上了电场，再加上电场之后，他发现当这些射线经过电场时会被电场偏转，这样的现象与带电粒子经过电场时的偏转极为相似，所以他认为阴极射线应该是由一粒粒的带电粒子所组成。根据其偏转的方向及角度，汤姆逊计算出了这种粒子的荷质比，然而计算的结果却显示，这种粒子的质量竟比最轻的氢原子的质量还要小，这在当时是一个极为震惊的发现，因为在当时，人们一直是认为原子就是物质的最小结构，它不可再分，所以当发现一个比原子还要小的微粒时，这说明了什么？说明原子并不是最小的结构，为了证实这个推测，汤姆逊随后则采用了不同材料的电极，以及给射线中加入不同的气体。结果他发现这种粒子的质量和电荷不会随着物质的不同而改变，于是他们去坚信，这种粒子也是所有物质的构成成分且还是一个比原子还要小的结构，之后，汤姆逊称这种粒子为电子。他认为电子应该是原子的内部结构，它就像一粒粒西瓜子那样镶嵌在原子的内部，这个就是人们对原子结构的最早模型，西瓜模型或枣糕模型。当然，我们现在是知道这个模型其实并不是正确的原子模型。除过电子，原子内部其实还存在一个实心的核，即原子核，但无可否认，这个模型在人类探索原子的历程中的确是一次颠覆的发现，它首次把我们的视野带向了原子的内部。在1911年，基于汤姆逊的西瓜模型，汤姆逊的学生卢瑟福做了一个十分著名的阿尔法粒子散射实验，根据这个实验，他最终发现了原子核的存在。在汤姆逊提出西瓜模型之后，在1909年，卢瑟福想利用阿尔法粒子轰击原子的实验来验证其老师的原子模型。根据汤姆逊的西瓜模型，电子是均匀分布在原子之内，因阿尔法粒子质量要比电子大，所以卢瑟福认为当用阿尔法粒子轰击原子时，那么阿尔法粒子应该是可以穿透其内部，但实验的结果确定，卢瑟福惊讶，当他用阿尔法粒子轰击金箔时，的确发现了一些粒子穿透了原子，但有一些粒子却并不是这样，它们好像是打在了某一个实体上发生了偏转，有的甚至还被弹了回来。

依据这个结果，卢瑟福猜测在原子内部应该还有一个很小的核心存在，这个核心聚集了原子的大部分质量，而在核心的外面才是散布的质量较小的电子。因此依据这一猜想，卢瑟福便公布了原子核和核外电子的原子模型，但在这个模型提出不久，人们又发现原子核外围的电子，应该不是卢瑟福以为的那般，是随机的轨道，这是因为依据麦克斯韦的电磁理论思想，当电子绕原子核旋转时会因其释放电磁波而损失能量，那么久而久之，电子就会落向原子核，那原子也就会缩小成像原子核那么小的一个实心结构。

而这样的状况是与实际不符的，所以在1913年，为了解决这个问题，物理学家波尔提出了电子能层轨道的原子模型，他认为电子围绕原子核旋转的轨道是以能层的形式存在，而能层与能层之间是存在间隙的，只有这样，原子才能保证它的体积以及内部空旷的空间，这个就是波尔的原子模型。波尔原子模型的出现，这标志着人类对微观世界的了解突破到了一个新的层面，因为波尔的原子模型引入了量子化概念，他把电子的轨道设定为了一层层不连续的量子数，这与我们经典理论的连续性是完全不同的。

量子化的引用，这对于探索微观世界来说是一个质的突破，这个突破让我们对原子又有了新的认识，在1926年，基于先辈们对原子的探索，奥地利科学家薛定谔便推出了非常有名的薛定谔方程，依据薛定谔方程新的原子模型，就此诞生薛定谔方程是一个概率方程，它可以描述微观粒子在某个位置出现的概率，那为什么要用概率而不用准确的值呢？

在前面我们曾提到微观的粒子世界是完全不同于我们的经典世界，在微观世界中粒子具有很多的特殊性质，而其中最重要的一个性质就是不确定性。不确定性的存在，让我们无法准确的知道粒子的位置，所以粒子的位置是模糊不定的，只能以概率来描述。

依据这个概率方程，电子就没有所谓的固定轨道，它是以概率云的方式存在于原子核的周围。因此，原子模型也就演变为了原子核加电子元的模型，这个模型就是现如今我们对原子最为准确的了解。当然，在原子核中含有质子和中子，质子和中子中，又还存在夸克。END来源：宇宙解码版权保护声明：西安科普是以传播科学科普知识为主的公益性公众号，均不通过采编的内容（包括文字、图片、音频、视频、软件、程序等）参与任何商业活动、获取商业利益。本公众号采编内容版权归原作者所有，如有侵权，请及时联系删除，如需转载请注明出处，特此鸣谢！

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