我們通過顯微鏡看到的原子，是原子的原子核，還是包括電子在內的整個原子？

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比如這張照片，IBM科學家利用掃描式隧道顯微鏡（STM）針尖移動吸附在金屬鎳表面上的氙原子，把35個氙原子排成了"IBM"字樣。照片中的原子我們看到的是原子的原子核，還是包括電子在內的整個原子？如果看到的是整個原子，那書上說電子在核外做隨機運動，我們見到的這個東西，應該就是電子了？這個東西就是一個電子組成的殼？一直想不明白啊，請高人解惑！

這篇文章發表於1990年4月5日的nature正刊，題目是「Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope」（通過掃描隧道顯微鏡放置單個原子），被引用將近3000次，google scholar上有免費的下載鏈接。個人覺得這篇文章本身就是很好的解答。

文章作者DM Eigler, EK Schweizer都是IBM在加州聖何塞研究院的研究員。最早的隧道掃描顯微鏡是1981年由Gerd Binning和Heinrich Rohrer在IBM位於蘇黎世的實驗室發明的，1986年此二人和電子顯微鏡的發明人分享了諾貝爾物理學獎。可見隧道掃描顯微鏡是IBM的獨門絕學，擺個自己人的Logo也不足為奇。十年光景，隧道掃描顯微鏡由單純的觀測進化成了操縱原子的有力工具，個人覺得再多個諾貝爾獎也不過分。

回到問題：我們從圖中看到的究竟是什麼？灰色的背景（單晶鎳襯底）上有藍色的點狀物體。事實上，我們看到的顏色都是後期圖像處理中渲染上去的，文章中真實的STM圖像是這個樣子的，圖1：

圖中展示了這IBM是怎麼一步步擺出來的。灰色和藍色是為了區分鎳和氙，再來一張側視圖：

這張圖能夠彌補題圖中缺失的比例尺。也就自然回答了題主的問題：題圖顯示的不可能是原子核，原子核的半徑大概在 $10^{-15} extrm{m}$ 數量級，而 $1AA =10^{-10} extrm{m}$ 。這張圖還告訴我們縱向和橫向的比例尺是不同的，也就是說圖像在縱向上略有拉伸。最重要的一點是，縱坐標不是電流，而是位置。

要解釋清楚這圖像究竟是什麼意思，還要從隧道掃描顯微鏡的兩種工作模式說起：恆定高度和恆定電流。一般來說，STM的探針可以用x,y,z三個軸上的壓電控制器來調整位置，如果維持z不變，只改x和y，探測通過探針的隧道電流，那麼這就是其他答案中介紹的恆定高度模式，又稱開環模式。所謂開環，就是指沒有反饋，不會根據探測到的電流相應的改變z的位置。由於隧道電流和探針與樣品之間的距離有顯式的對應關係，所以可以把電流換算成距離。距離是一個標量，標量可以對應成灰度。把這個灰度賦予探針當時所在的xy位置，就能得到一張圖。這樣做有什麼不好呢？假如樣品表面凹凸不平，那麼我們探測到的「距離「就不一定是探針正下方的情況了。極端情況下，探針可能一頭撞在樣品上，就報廢掉了。想像一下你用手指想要了解一下刀刃的形狀，如果一下子摸上去，肯定是要把手劃破的。

如何在不把手劃破的情況下，了解刀刃呢？最好是輕輕的摸上去，感受刀刃對手的壓強，然後維持住這個壓強，順著摸下去。隧道電流探測就有這個特點：非常的靈敏，必須在很近才能有信號，遠了就又沒了，再近就撞壞了。因此就有了更加常用的第二種模式：恆定電流模式，又稱閉環模式。在這種模式下，電路探測隧道電流，並試圖通過負反饋迴路把信號接回z方向，使得在xy方向移動時，z能夠自動改變，使得隧道電流保持恆定（近似認為是距離恆定，而非高度恆定）。這就像用手順著物體的輪廓摸了一遍，我的大腦能感知手的具體位置，也就知道了物體表面的情況。在閉環模式下，電流是定值，把z方向的偏離提取出來，就是xy所在點的高度，也就是題圖。

下面引用文章原文：

」圖1是在恆定電流模式下拍攝的……電流為 $10^{-9} extrm{A}$ ……我們可以在閉環狀態下移動原子……「

最後一個問題，這種恆定電流有什麼物理意義嗎？和電子云究竟有什麼關聯呢？一般來說，工作在恆定電流模式，圖像會是一個在三維空間中的等價平面。在這個等價平面上，具有相同的電子狀態密度。也就是說，如果你把恆定電流設的小一點，你看到的IBM就會粗一些，原子可能會看著連在一起：這是低等電子狀態密度面；如果你把恆定電流設的高一點，探針就會更貼近原子，組成IBM的那些氙原子看上去就會小一些。但無論如何，探針都不會與樣品電子云大量重疊。如果大量重疊的話，會產生電荷斥力，要麼劃傷樣品，要麼撞壞探針。

所以我的回答是：你看到是電子云的外層的等電子狀態密度面，是由探針在恆定電流模式下在三維空間中划出的數據點所測得的。

感謝霍華德在評論中的見解。

雖然用了顯微鏡，但這不是通過顯微鏡「看」到的，而是檢測到的信號。

我喜歡用通俗點的比喻來講。

打個比方，你用金屬探測器去掃一片雷區，它會在感應到下面有地雷的時候發出響聲。

當你掃完一遍的時候，你可以在地上畫出一個個圈圈，標記那些探測器一進入會發出響聲的地方。

你可以認為每個圈圈大致就代表一個地雷的大小，但它不是地雷，而是你的探測器有信號反應的區域。因為探測器的靈敏度有限，這些圈圈不很直觀。它們可能比地雷大，也比地雷小，形狀上更難以代表一個地雷的形狀。

回到這個例子，地雷就是原子，金屬探測器就是掃描隧道顯微鏡的探針，而上面看到的那些顆粒是你畫的「圈圈」。它們在尺度上代表一個完整的原子而不是原子核，但不是說他們就等於看到的原子的樣子。

所謂「看」到，其實是探測到。STM探測的是針尖與樣品之間的隧道效應的電流。所以，如果有信號，說明有電流。STM的針尖是可以被控制在平面移動的，針尖的上下位置也可以控制。這是前提，如果我們不知道STM是可以這樣的，如果只是恰好不知道為什麼有一台這種構造的儀器，例如，是外星人留下來的，它的屏幕上顯示著這麼一幅圖。那麼我們也許可以把這幅圖描述得很仔細，但誰也不能說這幅圖就是看到了什麼「原子」。「原子」是什麼？原始人目目相覷。

STM是我們人類發明的，我們知道它的原理。基於此，我們至少知道，對樣品進行掃描而出現了這幅圖，說明在圖中比較亮的地方有隧道電流。那些比較亮的區域有一定高度，這就說明超過這些高度之後就沒有隧道電流了。STM給出的信息就是這麼多。

剩下的是科學家進一步根據另一些已知的事實來「腦補」的。因為我們已經知道隧道電流產生的條件（更嚴格的說法是，我們假設我們知道的關於產生隧道電流的條件的知識是正確的），我們相信我們通過之前的工藝做出來的真就是鎳的晶面，相信氙原子真的會吸在上面。所以我們才會說，在這樣的樣品上倘若看到一些隧道效應，就是來自上面的氙原子。所以，如果這些假設有任何一個不對，我們都不能說我們「看到」的東西是氙原子。

慢慢地回溯我們要相信的東西會越來越基本，一方面，我們在原理上，需要相信當前物理的基石，例如力學定律，運動定律等；另一方面，我們要相信人類的工業技術，我們相信我們做出來的是我們要的東西——這也其實是對這些工業技術背後所利用到的規律的信任。必須是基於這一大坨信任，我們所看到的這一點點小東西，才獲得解讀、獲得對人類的意義。發生了一些效應，出來了一些電流信號，只有拿進目前這座理論大廈之內，才會被認為是原子。拿出這座理論大廈，放在不存在任何知識的荒漠中，它就會淪為一個毫無意義的、孤立的event。

這是人類構建自己所稱之為「知識」的方法。

觀察一個穿著白大褂的科學家在實驗室里的動作，你看到他把一杯無色液體與另一丁無色液體混合，然後取出一試管，進行加熱，最後取樣，在本生燈上烤火，再用一個梭鏡分光。如果你是外行人，很可能就是這麼描述的。但那位科學家並不是這樣描述，它把苛性鈉的水溶液和鹽酸混合之後，用梭鏡把火焰的光譜分解，看到了兩條暗線，是鈉原子吸收的特徵位置，說明裡面含有鈉。

這都什麼跟什麼，什麼是鈉？什麼是吸收？跟暗線有什麼關係，烤火為什麼就出現？所有這些都不是這個實驗回答的，都是事前假設好的，都是已有知識。實驗結果是1%，這種已有知識的腦補是99%，最後的100%才是完整有意義的結論。靠這個東西，科學家不用上太陽，在地球也能分析太陽上面有什麼元素。科學家看到的太陽跟其他人看到的太陽都是一模一樣的（這也是科學的哲學前提）。能夠使科學家分析出元素來的，是他們所擁有的已有知識。說到底，所謂太陽上有這些元素，也是在科學家自己建立的已有知識的體系下才成立。換句話說，如果有一個人完全不信主流科學，他沒必要去追究任何一個具體科學結論是否靠譜，基本上可以全盤否定，這是民科存在的空間。

題目中用的是掃描式隧道顯微鏡（STM），先做簡單介紹:

STM:全名為Scanning Tunneling Microscopy，是在金屬探針及導電樣品間加上小電壓，並將兩者距離維持在數埃至數十埃間，使探針尖端原子團與樣品表面的量子穿隧電流保持定值，而測得表面結構形狀，具有原子解析度。 SPM技術中具有最佳解析度，但由於無法在非導體上操作，故主要應用於基礎性學術研究。

我們再看具體些的資料:

原理：根據隧道效應設計，當原子尺度的針尖在不到一個納米的高度上掃描樣品時，此處電子云重疊，外加一電壓（2mV~2V），針尖與樣品之間形成隧道電流。電流強度與針尖和樣品間的距離有函數關係，將掃描過程中電流的變化轉換為圖像，即可顯示出原子水平的凹凸形態。
解析度：橫向為0.1~0.2nm，縱向可達0.001nm。

可以看到，STM利用的是量子穿隧電流，針尖與樣品之間一定要存在電流，因此電子云起到了重要的作用，在恆電流模式下，就是靠針尖到電子云的距離探測的。還有STM解析度為0.1到0.2nm，而原子核的尺度在10^-15m，因此是看不到原子核。

這是我的理解，坐等大牛。

印象中，看到的不是原子核，而是以電子密度分布表徵原子結構。

（0）剛學過材料分析技術，說一下幾種常用的「顯微鏡」。

（1）通常意義上的顯微鏡是指利用透鏡對波的作用，使圖像放大，從而使很小的東西的像達到能被人眼分辨的尺寸。實際上還是「用眼睛看」，只是用儀器提高了人眼的分辨能力，光學顯微鏡（OM）、透射電子顯微鏡（TEM）的部分功能都是如此。

（2）另一種被稱為掃描探針顯微鏡的儀器，工作原理可以類比為「用手去摸」，代表的有原子力顯微鏡（AFM），掃描隧道顯微鏡（STM）等。這一類是用非常細小的探針代替手指，一點一點去「摸」出材料表面的信息。

（3）不管是何種手段，何種設備，分辨能力都受到探測介質的限制而不能無限提高。

（4）對於上述第一類顯微鏡，它們的分辨本領因「衍射效應」而受介質的最小波長制約。比如OM採用的可見光的分辨能力是很低的，遇到尺寸小於光波長的物體（實際上可見光的所有波段都遠大於任何原子尺寸）光會直接「繞過」這個物體而無法獲取該物體的信息。現代分析技術中的TEM利用電子束代替光束，電子束的波長小多了，但就算消除所有誤差源，解析度也有上限（～0.1nm）。恰好達到一個氫原子的尺寸，所以現存最強的TEM是可以分辨原子尺度的。但原子核的尺寸一般是原子的萬分之一，即使透射電鏡也遠不足以看到原子核。

（5）那麼第二類顯微鏡用「摸」的辦法能不能摸出一個原子核？STM的原理在於電子隧穿效應，摸的是表面電信號，根本是電子之間的你來我往，應該是摸不到原子核的。AFM摸的則是探針尖端原子與樣品表面原子的相互作用力，可惜這個作用力也來自兩者的電子。注意在這裡不是說針尖太粗所以摸不出來，而是採用的信號根本不關原子核什麼事。

（6）綜上，看到的不是原子核而是整個原子（沒錯實際上就是電子云那層「殼」）。

根據波粒二象性電子是無法具體確定下來的，在原子核束縛下在一定區域內運動，我們可以用電子云來描述這種運動，通過掃描隧道顯微鏡觀測到的結構準確來說就是電子云。

物理愛好者一個小破學生忍不住發聲。

你在什麼情況下才能夠「看到」？經過亂七八糟儀器一頓冷卻使得這些玩意兒暈乎一點兒而不滿天飛，然後用高能粒子一頓爛炸，把得到的數據傳到電腦里然後擰歪、放大了後放在顯示器上，嗯，「我看到了原子」。

噢不！

你不是「看到原子」，而是「原子某一方面的表現形式」！

你怎樣能看到原子！你不可能看到原子！

你看到的，既不是原子核！也不是整個原子！

而是類似這樣一個玩意兒：從二維角度來審視的情況下，那一團又一團搞基的電子和原子核在平面上分布的概率，每一個搞基中纏綿著的的電子和原子核團都和周圍的其他的同樣在蜜月中的玩意兒有明顯距離（那麼如果他們沒明顯距離那會怎麼樣 --- 那麼這兩個原子就有鍵了，被稱為「電子」的玩意兒們就可以在自己的小圈子裡亂竄了）。那個大波峰是分布概率最高的地方。

書上說電子在原子核外作隨機運動，這麼說不恰當。別把電子想像成漫天狂奔的小渣子！

你注意，你不可能看到原子的。電子不可能「組成殼」的！

傳說中的Prof Richard Feynman曾這麼說：「那玩意兒捏，do not behave live waves! do not behave like particles! THEY BEHAVE LIKE NOTHING YOU"VE EVER SEEN!!!」，Prof. Richard Feynman說，自然僅僅behave like自然本身。

同類個體們，在觀察自然之後，會建立一個框架 --- 對！然後基於這個框架寫書。可事實到底是什麼樣的？！NOBODY KNOWS。同類個體的趨向是，把見到的新玩意兒、也放到自己根據以前經驗建立的這個框架裡面去，後果如何？很多無法理解。那當然！

就像有一個裝很多很多寫著數字的小球的箱子，從裡面拿出了幾個球，發現球上寫的數字都是一百以內正數的，然後就依照經驗來認為，嗯，「這箱子里都是寫著一百以內正數的球」 --- 然後突然遇見一個131，頓時你很迷惑！這個不是十幾、不是二十幾、不是三十幾、不是四十幾、不是五十幾、不是六十幾、不是七十幾、不是八十幾、甚至連九十幾也不是！這個可太奇怪了！而事實是，「認為這個箱子里球上面的數字小於一百」這個假設，不具有普遍性的 --- 換句話說就是這根本不靠譜，不能沒進屋走一圈就說這屋沒人啊！可是，對於自然來說，那深處的神秘是非常迷醉同時非常不知道為啥的。就目前所見、那箱子里的球遠遠超出已知範圍的！

「事物徹底地有形」、「電子就像一些特別小的『帶電荷』的小球」都是這樣一個不具有普遍性的假設。既然電子不是這樣一個小球，怎麼說電子「組成殼」呢？

想證明那不對頭一個反例就夠了，但是你永遠無法證明「那是真的」！那本質是什麼樣的？沒誰知道。

從眼睛的那個原理來大致模糊允許很多誤差地來講呢…

你看到的過程是來自好多數量級的數量的原子周圍的電子的擾動、不小心驚擾了你眼睛裡面的一些蛋白質後BLAH-BLAH-BLAH-BLAH-BLAH......

你波長特別長的無法探測「小」的東西，你想探測的越小，要求你波長越短、頻率越高，而你想探測到原子級別、原子核級別的，那頻率也太高了吧！那麼高頻率同時意味著什麼？！意味著高能量！高能量意味著什麼！意味著原子更加歡欣雀躍、更不容易被探測得到！

哈哈哈哈，哥學物理終於用上了。原子核體積特別小，只有整個原子千分之一的體積，還帶正電。電子則以電子云的形態分布在核外。IBM排列的是整個原子，而且是一個一個移動的。

那麼電子云又是何物？

電子云其實是電子出現的概率分布。電子運動速度非常大，根據海森堡測不準原理，你不可能同時知道電子的位置和速度。所以，利用任何顯微鏡都不可能拍到電子某一時刻的確定軌道，這就得到了電子核總是蒙著一團雲的結果。其實在這團雲裡面，電子究竟在哪裡呢？只有上帝知道。

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再補充一下其他知識：

量子力學裡面有個奇特的現象，是這樣的，在你不觀測電子的時候，電子其實是同時出現在各個地方的，此時處於量子態。當你觀測它的時候，這些量子態之間的耦合就會消失，它就處於確定態（仍然無法同時知道位置和速度，不過至少波函數可求解）。具體百度「薛定諤的貓」與此類似。雖然具體是一種什麼樣的場景無法想像，但是絕對毀三觀。

當年就是學這些學不懂，所以憤而轉行。據我所知，當年我們物理系沒有一個人學懂過量子力學。

本答案歡迎專家來拍。

先打文字，一會看能不能找點圖放上來

通常我們所謂電鏡下看到的「原子"，即解析度達到原子尺度的電鏡所觀察到的材料高分辨圖像。能夠「看到」原子的電鏡，主要就是STM（在大眾中更出名）和HRTEM（實際上幾乎都是用TEM），當然現在還發展出了球差矯正TEM、STEM等等，一些重構技術如三維原子探針等也能在某種意義上」看「原子，在這裡暫不介紹。

先表達一個概念，所謂成像，都需要利用某種襯度來體現觀察對象的形貌。

STM既屬於電子顯微鏡，也屬於探針顯微鏡，利用隧道效應成像。成像襯度是位置襯度和能級襯度的一個綜合體，樣品表面的原子位置和原子能級共同決定了隧道效應成像的襯度，單純說看到的是電子云其實也不能算準確。STM對樣品要求極高，可研究對象其實非常少，但有前幾十年打下的赫赫名聲，和確實高的解析度，目前是大眾心中接受度最高的電子顯微鏡，介紹電鏡的書也通常從STM開始。

HRTEM，高分辨透射電子顯微鏡，是目前涉及到原子尺度成像研究中最常用的電子顯微鏡，利用的是電子在透射樣品過程中發生的散射和衍射現象成像，這個和光學透射顯微鏡是相似的，成像襯度包括，質厚襯度（解析度很難達到原子級）、衍射襯度和相位襯度（這兩個HRTEM常用成像方式）、Z襯度（和原子序數有關，有元素分析能力），解釋起來略複雜，有興趣的請查閱相關資料。

HRTEM的原子像對樣品和電子束要求都非常高（謝爾策欠焦），在這種情況下，可以理解為原子擋住了電子束，因此，原子是黑的，亮的是原子間隔。。。複合謝爾策欠焦的成像條件是很難得的，重要的是，在HRTEM成原子像的成像位置附近，還能成一些類似原子像的周期性條紋或點陣，這些不是原子像，但仍舊攜帶了大量樣品晶體信息，因此可以用來分析樣品的晶體學性質。

結論是：STM不是看到的原子，而是通過探針和原子間的隧道效應」看到「的原子位置和原子能級；HRTEM可以利用電子束」看到「原子，但原子是暗的。。。

說的不對的，請指教。

stm"看"到的是整個原子，就是電子云連同被其包裹著的原子核一起。

這是孔徑光柵顯微鏡拍攝的指紋玻片原子視頻，孔徑光柵顯微鏡分辨原子它與隧道掃描顯微鏡探測原子的探針差不多，只不過把探針換成直射的光線來照射樣本表面，這是原理不同，一個「隧穿效應」，另一個「原子光譜效應」。

原子光譜是由原子中的電子在能量變化時所發射或吸收的一系列波長的光所組成的光譜；又分發射光譜和吸收光譜。原子中的電子可處於許多不同的運動狀態，每一狀態都具有一定能量，在一定條件下，分布在各個能級上的原子數是一定的，大多數原子都處於能量最低的狀態，即基態，許多原子可以由能量較低的狀態躍遷到能量較高的狀態，這稱為激發態。當一束白光照射（激發光）在樣本表面時，則物質中的原子將吸收其中某些頻率的光而從低能級躍遷到高能級，樣本表面從基態躍遷到激發態，不斷地激發原子中的電子躍遷，從而發光形成原子光譜，再經過孔徑光柵成像。

原子光譜給出了原子中的能級分布，能級間的躍遷幾率大小的信息，是原子結構的反映，是由結構決定的。光譜與結構之間存在著一一對應的內在聯繫。原子光譜是研究原子結構的重要方法，也可用來進行定性、定量分析。通過觀察樣本表面，原子的電子是空心圓形的波，原子核像實心球。原子中電子就像平靜水面丟個石子，泛起漣漪，原子中的電子就水波紋一樣以小促大向四周做無窮大運動。當高能量激發態可以躍遷到較低能態而發射光子，反之，較低能態可以吸收光子躍遷到較高激發態，發射或吸收光子的各頻率構成發射譜或吸收譜，也促使原子中的電子運動狀態不斷發生變化，周而復始。

通過顯微鏡看到的原子，其實是一個比喻的說法。因為人眼不可能分辨到原子這麼小的尺度。而所謂「看」原子，可以用保齡球做一個比喻。通過遠遠的丟一個保齡球過去聽一下撞擊的聲音，或者檢測下球和瓶子撞擊後方向的改變來了解瓶子擺放的情況。所以所謂的原子的樣子，只不過是說光（或者alpha射線）軌跡改變的一系列模式而已。和看到其他東西完全沒有關係。

顯微鏡能看到原子核？？你學過物理沒？原子核很小很小的

博士論文做的電鏡相關所以斗膽說幾句。

正如肉眼能看到五彩世界是因為視錐細胞對光子的響應一樣，我們之所以能夠通過顯微鏡「看見」微觀世界，是因為我們能測量到所用的「探針」同微觀世界的相互作用，因此不同的相互作用決定了我們「看見」的到底是什麼。同樣是一隻拉布拉多，我們肉眼看到的是可見光在狗身上的反射，通過紅外儀器看到的則是狗體內熱量輻射出的紅外線。

OP提及的STM是通過測量由於電子從探針隧穿到樣品表面而產生的電流而成像，我們可以簡單的認為當探針在電子上就有電流，否則就沒有電流。因此我們通過STM看到的是電子云的分布。

此外經常被用到的電鏡還有SEM和TEM。SEM是通過測量在樣品表面反射的電子束成像，鑒於反射電子的相互作用主要是同原子核，我們通過SEM看到的是原子核。TEM的原理同SEM恰好相反，TEM觀測的是打穿樣品的透射電子，所以儘管我們通過TEM看到的主要還是原子核，因為TEM的電子無法穿過原子核，但是除此之外，由於透射電子同樣受到樣品晶體結構的相互作用，我們能通過TEM獲的更多的信息。

微觀世界和宏觀世界很多規律都不通用。可以說，據我們的日常經驗，微觀世界是光怪陸離的。電子是看不到摸不到的，具有波粒二象形，而且當表現出波動性時粒子性消失，表現出粒子性時波動性消失。能測量速度時位置參數消失，測定位置時無法測量速度。我們永遠無法準確測量一個微觀粒子。我們的觀察本身就會影響微觀粒子的存在狀態。也就無所謂「看到」電子了。

原子的尺度在10^ -10數量級

原子核的尺度在10^ -15數量級

以目前的科技水平，是觀測不到原子核的

你看不到原子更看不到原子核，你能看到的只是能態密度的分布罷了

...量子物理沒學過。

高中物理姿勢告訴我那個像殼一樣的東西似乎是電子云。

書上說電子在核外做隨機運動，這個隨機...是真的很隨性地在自己的能級到處跑的那種。因為電子運動的非常快所以留下了各種殘像，籠在一坨就像一朵雲。

也就是題主說的殼。

在課本上看到的電子云概念圖是紡錘形的，這裡變成圓xiang錐xiang的形狀應該是因為它是放在鎳表面的所以變形了吧。

求各路大神解惑，如果我沒有犯原則性的錯誤就說明09~12年湖北省的物理教學搞得還不錯。

首先仔細想想「看見」這兩個字是什麼意思，然後才能講明白。