假設一張照片,無限放大後能看到原子,其照相機的原理是什麼?

現有照相機的成相原理是否適用這個問題

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補充:我認為題主的意思是從照片中看到被拍攝物體的原子,而不是照片本身的原子


先放結論:如果無限放大只能看見原子,這個顯微鏡解析度不會太大,現階段的掃描隧道顯微鏡可以做到。不過隨著技術的發展,可能會看見更小的結構,就不符合題主的要求了。

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我們不妨稍稍回顧一下人類顯微技術的發展。

1. 列文虎克的小玩意 - 上帝說要有光,於是就用了光

列文虎克(Antoni van Leeuwenhoek,1632.10.24-1723.08.26 )

這個人,荷蘭商人列文虎克,業餘也是科學愛好者。不得不感嘆當年科學愛好者的水平,一不小心就成科學家了……列文虎克也是這樣。憑藉一手磨製透鏡的精湛技藝,他甚至製造出了放大倍率300的透鏡[1]。

出於對自然的好奇,他把自己的透鏡對準了採集來的湖水。就是這輕輕一瞥,列文虎克打開了人類探索微觀世界,進而理解自然界深刻定律的大門。列文虎克改進了自己的透鏡,進行了大量的觀察。他的結果彙集成冊,以《列文虎克用自製的顯微鏡,觀察皮膚、肉類以及蜜蜂和其他蟲類的若干記錄》為題,發表在英國皇家學會的刊物上。[2]

列文虎克顯微鏡

在此之後,一大批數學家、物理學家和工程師投入到改進顯微鏡的工作中。最終,德國物理學家阿貝提出成像質量的判定,從理論上解決了提高成像質量的問題;同時,透鏡製作技術也日益提高。在現代,我們已經可以使用上千倍的光學顯微鏡了。

現代顯微鏡

從列文虎克開始的這一系列,我們成為光學顯微鏡。從現在的觀點來看,它是用光照射在物體上,通過觀察反射光來進行放大的。這種觀測手段的弱點在於光本身:相對於想要觀測的物體,光的波長往往太大,導致從根本上觀測無法進行。所以,人們通過各種手段接近這個物理極限,但是沒有辦法超越它。如果不從其他方面入手,更小的世界對我們將永遠是秘密。

2. 波動與粒子的輪舞 - 我們「看」到的,是電子

對於物理學家來說,20世紀是激動人心的世紀。尤其是量子力學的發展,使得人們對於微觀世界有了更加深刻的認識。尤其是法國物理學家德布羅意,以物質波的概念和一頁多的博士論文留名青史。當時科學家們也在為光的波長極限而煩惱,而物質波的概念幫了他們的大忙:易於加速的電子,正是光的理想替代品。

透射電子顯微鏡的原理(a)與光學顯微鏡的原理(b)

大戰結束後,電子顯微鏡技術得到發展。雖然看起來完全不像是顯微鏡,但是一張張清晰的照片,向我們揭示了以前從未見到的世界。

看起來不像顯微鏡的電子顯微鏡

掃描電鏡下的雪花

電子顯微鏡從根本上突破了光的限制,其解析度現在已經達到幾十埃,相當於100個氫原子或者20個鐵原子排在一起。但是,仍然有電子顯微鏡不能做到的事情:由於使用高能電子觀測,對於電子敏感的樣品,或者帶電的樣品都不適於用電鏡觀測;同時,電子仍然有波長決定的物理極限。為了觀測更小的世界,我們需要新的觀測手段。3. 粒子與粒子的傳情 - 跨越不可能,也要找到你的量子隧穿

(稍後更新)


先說結論吧,這種相機的原理制約在於相機的解析度

我們眼睛能夠成像是由於眼球的聚焦成像的作用。但眼睛的分辨極限遠遠達不到顯微鏡的解析度,這是由於眼睛瞳孔的大小所決定的,而這可以由瑞利判據解釋。

首先解析度是指我們能夠分開相鄰兩個物點的像的能力。由於衍射,系統所成的像不再是理想的幾何點像,而是有一定大小的光斑(艾里斑),當兩個物點過於靠近,其像斑重疊在一起,就可能分辨不出是兩個物點的像,即光學系統中存在著一個分辨極限。當一個艾里斑的中心與另一個艾里斑的第一級暗環重合時,剛好能分辨出是兩個像。

公式為I=1.22λf/D

其中λ為光的波長,D為衍射孔孔徑也就是物鏡半徑(對人眼來說就是瞳孔),f為透鏡的焦距

對於人眼來說,瞳孔孔徑有個極值,大概為3mm;肉眼的焦距是固定值為20mm(因為瞳孔一定要將像聚焦到視網膜上,這個值是固定的);由公式可以算出人裸眼極限解析度對於1m處的物質來說是22.3微米。

而人類利用顯微鏡(望遠鏡)則可以解決物鏡半徑與物鏡的焦距問題;利用光學顯微鏡就可以將f變小(焦距越短,聚焦能力越強),從而可以看見細菌。而望遠鏡則是將物鏡半徑增大,從而可以分辨很遠的星星。

但光學顯微鏡也不能夠無限制的通過增加物鏡半徑與減少焦距來提高解析度。由於光有衍射作用,會產生一個艾里斑。而艾里斑的直徑與光的波長有關。當兩個艾里斑的衍射峰相互重疊時,就無法分辨光斑了。

公式計算為d=0.61λ/(nsinα),其中λ為光的波長,n為透鏡與物質的折射率,α為半孔徑角

而nsinα有個極值,而光學顯微鏡的解析度公式可簡化為d=1/2*λ

因此光學顯微鏡的解析度取決於光的波長,因此可見光的極限解析度為200nm

那為什麼不用更短波長的光源呢?由於光學顯微鏡的鏡頭會吸收紫外線,因此現在極限的光學顯微鏡也只能做到近紫外光區域。而波長更短的光源,一是對人有殺傷作用;另外一點就是至今沒有發現什麼材料能夠做成鏡頭來使得這些射線聚焦。

因此人類將目光投在了電子上,由於波粒二象性;電子也有波動性,因此可以利用電子衍射成像。同時由於電子的波長極短,解析度可以大大提升至原子級;而電子由於會受到電磁場的作用發生移動,因此可以利用電磁場作為電子顯微鏡的「聚焦鏡」。從此電子顯微鏡就誕生了。

但還沒結束,電子顯微鏡也有分辨極限。由於電子會與原子相互作用,而且時間很短;因此無法利用電子來分辨原子的結構;所以電子顯微鏡最高也只能看見原子。下一個更高解析度的顯微鏡又是什麼呢?大概就看物理理論的極限了。


原子還可以看看,如果再小的話,光的波長會讓這張照片拍不出來的,因為光波再小就是X光,這玩意拍片的都知道直接透過人體


這是要把銀河系做成硬碟的節奏嗎?


此理論,我大中華上古時候就有了,按現行理論,你能看到東西是光線照到東西然後反射到你眼睛裡,你眼睛感受光線才能看到東西,要用光線做中介,能不能看到原子呢。俺們上古時期就發現不行,改用思維了,要學習啊


一樓http://www.zhihu.com/question/30736159/answer/49228332沒懂題主的意思。

題主的意思是,如果有一幅,假設椅子的照片。那麼將這個照片無限放大,能看到椅子表面的原子么?而按照一樓的理解,使用隧道掃描手段,看到的是照片這個信息載體的表面原子。

我的回答是,沒有這種照相機。比較取巧的辦法是,通過數據拼接手段,將不同成像手段相結合,得到數字圖像。根據瀏覽的深度,進行不同解析度圖像間的切換。實際例子可以參考谷歌地圖。

題主問的這種成像不存在原因在於,不同成像手段都是有解析度界限的。(這一點可以參考第一的回答)。而突破某種舊成像手段,進一步提高解析度總是需要以損失空間為代價的。


這個我能解釋 到原子可能需要大約一個足球場的圖像感測器 然後幾十億像素 一個巨大的鏡頭 需要高的像素密度~~~應該是吧…


阿貝定理,波長=2X解析度X光線的入射角度的正弦值。


是腦洞!

其實是這樣的,你拍了一個人,所呈現的像是像素分子在底片上組成的吧,底片上單位面積上的像素是一定的吧,然而你取的景通常是面積大於照片的,作為像素分子沒法用不同顏色(微觀上是不同波長的波)表現出微觀的原子結構的。


你是說透射電鏡吧,當然不能無限放大,但確實能看到原子。可惜不是適用於任何物質的。


到底什麼程度能算「看到」原子很微妙,姑且認為題主想了解高解析度顯微鏡的區別和工作原理,簡略介紹下(想知道更多的話用名字百度下都有)。順帶一說原子直徑的量級大約在0.1nm量級,以下提到的設備最高解析度都勉強能「看」到。

電鏡(SEM):原理和光學顯微鏡差不多,只是使用的是電子而不是光,解析度可到0.1nm。

隧道掃描顯微鏡(STM):利用量子的勢壘貫穿效應工作,這個效應理解為樣品表面高度的變化會引起探針上電流的變化就好。解析度也是0.1nm量級。

原力…原子力顯微鏡(AFM):利用原子間作用力工作,請想想手裡拿著塊磁鐵從不平整的大鐵塊上拂過。這時你的手就是探針,鐵塊就是樣品,表面高度可以轉化為受力。精度沒前兩者高,但對樣品要求低(不需要導電,絕緣體也能用),使用挺廣泛。


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。


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