从理论到可视化：原子的直接成像
原子是令人惊奇的粒子，是我们周围一切事物的基础。如果你把所有物质想象成一个巨大的馅饼，那么原子将是它的主要成分。正如烘焙离不开面粉、鸡蛋和糖等原料一样，我们周围的整个世界也是由各种原子组成的。
科学家们经过多年的研究，发现了 118 种不同类型的原子。这些原子被称为元素，每种原子在著名的元素周期表中都有其位置。我们周围的一切，从电子设备的屏幕到我们的身体，都是由原子组成的。
但值得考虑的是，一个原子非常小，即使使用传统的光学显微镜也无法看到。因此，当有人声称世界是由原子组成时，听起来可能有些不可思议。但今天我们知道这是真的，而且这个信息是基于多年的科学研究。
试图了解原子的想法从何而来，我们沉浸在古希腊的氛围中。在那里，德谟克利特在雄伟的卫城和集市中生活和工作，他是第一个提出原子概念的人。
当时有一种想法，任何物体，无论是苹果还是石头，都可以无限分割，探索其所有最小的部分。但德谟克利特并不同意这个观点。他坚信，在某个时刻，我们会遇到如此小而坚固的粒子，以至于无法进一步分离它们。他将这些粒子称为“原子”，从古希腊语翻译过来的意思是“不可分割的”。然而，他没有证据支持这个概念，这导致了当时许多科学家的拒绝。
进入阿拉伯时代，我们遇到了先进的提取技术，例如从海水中提取盐。贾比尔·伊本·哈扬 (Jabir ibn Hayyan) 等科学家开发了过滤、煮沸和收集蒸汽的复杂方法。他们的研究表明，不同的材料可以分离成极其纯净的物质。
1700 年代的法国，玛丽-安妮·皮埃尔特 (Marie-Anne Pierrette) 和安托万·拉瓦锡 (Antoine Lavoisier) 接过接力棒，发展了阿拉伯前辈的思想。他们能够证明，即使是水等纯物质也可以进一步分解。例如，水可以分离成氢气和氧气。
长期以来，科学家们一直试图从微观层面了解我们的世界是由什么组成的。当研究人员得出这样的结论时，即得出这一重大发现：氢和氧不仅仅是气体，而且是无法分解成更简单物质的基本元素。
这一发现成为化学元素研究的起点。结果，发现了 118 种独特元素，每种元素都有其独特的属性。它们在室温下可以是气态、固态或液态。例子包括从氢和氧到碳、金、汞和溴的一切。
同样有趣的是不同的元素如何相互作用来创造全新的物质。例如，当氧和铁结合时，就会形成铁锈。或者氧气和氢气反应形成水，这是我们所有人的重要化合物。
这一发现最引人注目的是元素在化学反应中的恒定性和保存性。无论在反应中如何组合或分离元素，元素的原子都保持不变。虽然它们可以形成新的化合物，但反应前后每种元素的总量保持不变。
那么，如果你在显微镜下观察一块纯金，你会看到什么？你能“接近”黄金多远？无论如何，黄金还能保持纯金吗？这个问题困扰了科学家几个世纪，而一个答案来自一个意想不到的来源：一位名叫约翰·道尔顿的英国教师。
1800 年代初期，道尔顿成为一名化学极客。他的实验和对其他科学家工作的研究使他发现了一个有趣的模式。他注意到元素以一定的比例相互反应。这一观察促使他提出了微小的、不可分割的粒子存在的想法，按照传统，他也将其称为原子。
1808 年，道尔顿出版了一本书，其中提出了他关于原子存在的想法。尽管当时并非所有科学家都接受他的理论，但该概念成为许多后续科学发现的基础。
阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 于 1905 年发表了一篇论文，其中研究了布朗运动，并展示了分子运动如何解释这种现象。他的思想间接证实了分子和原子的存在。
几年后，法国物理学家让·佩兰进行了证实布朗运动的实验，令人信服地证实了分子和原子的存在。这些结果使许多科学家相信原子理论的正确性。
我们大多数人可能会对看到原子存在的视觉证据感兴趣。不幸的是，单个原子太小，无法用普通光看到。光的波长太长，这使得传统显微镜无法“看到”原子。
然而，在 20 世纪 70 年代，由 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 领导的工程师团队开始致力于创建扫描隧道显微镜。他们希望它能够产生许多不同类型原子的不失真图像。该显微镜使用一种称为电子隧道的过程来扫描并本质上“触摸”样品的表面，类似于我们在黑暗中感知物体的方式。
例如，获得了晶体表面硅原子的真实扫描。尽管图像中的颜色是人造的，但它们是显示硅原子实际结构的真实数据。Wilson Howe 博士后来的工作在技术和数据呈现方面取得了飞跃。但科学家们想要更多。
来自美国国家科学基金会支持的著名研究中心的一组研究人员开发了一种利用真实光“可视化”原子的新方法。尽管由于光的波长比原子的尺寸大得多，这以前被认为很困难，但科学家们找到了一种解决方法。
那么什么是原子呢？原子是化学的基本组成部分。我们如何知道它们的存在？通过化学反应我们可以观察它们的作用；通过使用数学方程结合间接观察，我们可以计算出它们的各种大小。最后，得益于扫描隧道显微镜等新技术，我们现在可以“看到”原子。尽管“原子”这个词在技术上意味着“不可分割”，但正如我们将在下一篇文章中看到的那样，原子实际上是可以分割的。原子是由更小的粒子组成的。