测量长度一直以来都是最常见不过的操作了,无论是自驾游还是乘坐飞机或者高铁,首先我们都会有个大概的距离概念,比如距离目的地大概还有多少千米,当然地面上的距离和空中的距离稍稍有些区别,测量方法也一样,但这些宏观的距离中比如车轮周长测距,或者激光测距,或者根据地理经纬度计算出综合距离!但需要用显微镜放大下的世界又该如何测量长度呢?
光学显微镜测量长度
熟悉精细结构制造行业的朋友肯定知道一种设备,叫做二次元测量仪,取了个二次元世界的名字,但却和大家了解的二次元世界没啥关系,它是用来测量细微结构的尺寸的,比如一个金属冲压件表面损伤的长度,或者PCB板上焊锡气泡的直径,甚至细微裂痕的长度与宽度!
测量厚度或者直径,我们可以用游标卡尺和千分尺,但这种需要显微镜才能看到的结构,两种常用工具就无能为力了!所以带着标尺的二次元测量仪应运而生,原理也很简单,放大倍数加上行程,即可计算出两点之间距离!
那么测量更精细的尺寸就很简单了,我们只要无限放大倍数即可,只要看得清我们就量得出,事实上也确实如此,但有一个问题,显微镜也有个极限分辨率,我们知道放大倍率越高就会越暗,但即使在保证无限强光的基础上,常规光学最高的分辨率只能达到光波长的一半,那么这台显微镜极限分辨率就知道了,做多也不过紫光的400nm的一半,也就是200纳米!
200纳米是多少?估计大家都不太有概念,但这个级别远不到原子就是了!
原子电子原子核长度测量
理论上来看原子的半径很好测量,不过就是一个球体么,即使不能用可见光,那么能对紫外线感光甚至X光感光的的设备来对原子成像不久好了么?但事实上还真有一个问题,因为原子并非是汤姆逊的葡萄干布丁模型,而是薛定谔的电子云模型!
根据玻尔的概率论,电子是随机出现在某处的,根据海森堡不确定性理论,电子位置和动量无法同时测定,再根据薛定谔的波动方程中解的模平方,如果用三维坐标以图形表示的话,就是电子云!电子所以原子的直径到哪里为止?这是一个问题!因此根据不同的方式得到的原子半径将完全不一样,我们来看看几种方式:
玻尔原子半径:
玻尔原子的有轨电子模型是错误的,但他的电子能级是正确的,因此以可以根据电子能级计算最外层轨道的直径,因此这个直径是计算出来的。
原子的共价半径:
形成共价键的原子核之间距离一半即为共价半径,化学键的可以通过X射线,电子显微镜等来测量,再转动光谱计算出分子转动惯量,从而计算出共价键长度,最终确定原子的共价半径!这个方法算是测量+计算!
其他方式就不一一介绍了,除了这些外还有金属键半径、离子半径,这些方式跟共价半径类似,还有范德华半径等,但有一点必须要注意的是,无论哪种都需要X射线甚至电子显微镜的参与!我们来说说这个问题:
X射线比可见光波长更低,因此理论上它能看到更细的结构,但即使X射线也是有极限的,更低的就只能是电子显微镜了,大家都知道量子力学中互补原理的波粒二象性,电子能级越高那么波长越短,因此波长可以通过电子的能级就能简单搞定!因此在原子级别,基本就是电子隧道扫描显微镜的天下了!