看见更加的微观世界

这个还是我的物理讨论小组的一点笔记.

这次是学长来分享, 啊, 感觉学长准备的好仔细啊. (回头看看自己的准备的想法, 感觉是得要删掉重做的垃圾. )

总之, 要想看到更加围观的世界, 实际上就是一种技术进步的历史.

人眼 - 开局一把刀

不得不说, 人眼可以算得上是一把”屠龙宝刀”. 高像素, 高带宽, 高动态范围. 有这么多的高级特性, 难道它不香吗?

人眼大约等效于一台50毫米焦距, 光圈F4-F32可变, 像素高达5.76亿, ISO50-ISO6400, 快门1/24不停连续拍摄的相机. 对焦速度极高, 在0.5秒内就能完成从最远到最近切换, 永不跑焦. 影像处理器大约相当于4块Digital 3并行工作, 后台的模糊识别处理器无法用地球上的计算机来衡量.

来自知乎

好像的确有一点缺陷…

(默默地看向我的眼镜, 轻轻地揉了揉我的眼睛. )

好吧, 不耍宝了. 实际上, 由于诸多的限制, 我们的眼睛并不能很好地发挥上面的那么牛的功能, 这是因为我们的视网膜并不是完整的, 在有一个地方为了长出视神经, 就会有一块盲区. 然后像素也没有亿级那么夸张, 大概是7k左右的样子. 最后由于光学仪器逃不过的命运, (瑞利判据) 人眼的分辨率是有极限的.

透镜 - 装备全靠打

透镜, 顾名思义, 只要能”透”就可以.

(实际上还得要存在不为$1$的相对折射率和一定的外形. )

于是最早的透镜就是像宝石, 水滴, 还有玻璃一样的东西.

但是很遗憾, 最早的玻璃就真的只是”玻璃”, 在公元前2500年左右的两河流域中, 出现了一些朴素的玻璃. 但是这些玻璃就真的只是, 玻璃, 因为它们不透明.

这是因为当时的人们不会磨制玻璃, 玻璃表面就是花的.

(虽然我认为可能还有纯度和烧制过程中的问题. )

直到约13世纪的时候, 玻璃磨制的透镜才开始普遍的使用. (大概的放大倍数为10倍左右. )

那么之前的人们用什么呢?

别不信, 竟然是宝石, 比如红宝石之类的. (甚至古代的皇帝还认为玻璃太贵了, 还是用红宝石算了. ) 不要以为宝石就很强了, 宝石也没什么了不起. (哼哼. ) 因为宝石里面的杂质很多, 很浑浊也什么都看不清.

罗马人发现了凸透镜的放大作用, 然后尼禄(著名的罗马皇帝) 的老师塞内卡解释了(有点玄)放大现象的原理: “水珠的圆球状特性造成了放大效果”

但是放大镜的放大倍数在13世纪的时候只有$10$倍左右, 几乎”什么”也看不了, 但是人们可以用它来看跳蚤, 所以叫做”跳蚤镜”. (笑)

显微镜 - 鸟枪换大炮

第一台”显微镜”: 1590年, Jessen父子(碰巧)发现, 将两块镜片放在一个筒里面的话可以让放大倍数变得”很大”.

(虽然说是显微镜, 但是这不过只是一个最简陋的雏形而已. 因为实际上它的放大倍数只有$9$倍, 一点也不大好不好. 而且没有任何的资料流传下来可以证实他们真的做出来了这个东西, 后来是科学院根据他们的说法来做了一个样机. )

真·第一台 显微镜: 列文虎克

(感觉他是对这个显微镜有一种执念一般的狂热, 看来我要做出一番事业的话也要有一种疯劲. )

列文虎克虽然是一个商人, 但是他很喜欢磨镜片, 并且精益求精, 在17世纪晚期的时候制造出了真正意义上的显微镜, 放大倍数最高达到了$720$倍, 相当于和光学显微镜的极限只差了一个数量级, 分辨率达到了惊人的$1.4\mu m$, 可以说是拥有但是最厉害的镜片磨制技术.

(他的显微镜是一个很小的球状透镜. )

现代的光学显微镜: 通过使用 复式显微镜, 复合镜头, 玻璃制造技术和磨制技术, 启明点和阿贝正弦条件等方法, 来得到最好的效果.

(我对这些没有什么影响, 所以以后碰到的话再说. )

收到衍射的限制, 最大的分辨率是$200 nm$

现代… 先来一个好家伙

前面一直在说衍射限制, 瑞利判据之类的东西… 这个不就是因为我们是用可见光的原因嘛, 就是可见光的波长卡死了我们, 所以不妨换一种波长来观测不久好了.

于是聪明的人类就想到了电子显微镜, 通过把光的波长换成电子的物质波$\lambda = \frac{h}{p}$, 就可以减少衍射.

(那为什么不用高能光子? 这个波长也小啊. 不造, 感觉可能是高能光子不好产生和控制. 谁知道高能光子的能量是什么, 还是电子好管, 过一个速度选择器就好了. )

于是接下来问题就变成了几个朴素的问题:

  • 如何产生电子
  • 如何控制电子
  • 如何观察电子

产生电子有几种方法:

  • 热游离: 利用高温让电子克服表面的束缚
  • 场发射: 用强电场产生的Schottky效应来发射电子
    (但是我不知道什么是Schottky效应, 可能是在外电压的作用下, 导致阻拦电子的势垒被拉低, 电子于是更容易逃逸的效应吧. )

于是在实际的应用中就有:

  • 冷场发射(亮度高, 散步低, 但是不持久)
  • 热场发射(真空度要求低, 电流稳定, 亮度不够)
  • 萧基发射(换材料? )(优点都有, 但是不如上面的突出)

在控制电子方面: 可以利用磁约束和电场约束, 造出磁透镜和电场透镜.

在观察电子方面:

  • 透射电子显微镜: 类似于光学显微镜, 就是把光源换成了电子源, 然后把直接观察的人眼变成了电信号接收器, 然后透镜嘛, 就是磁透镜和电场透镜
  • 扫描隧道显微镜: 有收集散射电子, 观察二次电子(样品表面的起伏变化), X光成像等的操作

(不是很懂, 以后再说. )

近场扫描光学显微镜 - 上帝说, 还是要光

对于光这种电磁波, 实际上是存在着一种叫做”隐失波”的东西的. 隐失波就是波矢是虚数$E=E_0 e^{i(k_1+k_2)r}$ 的一个波的分量.

(我记得在普通物理学中讲过, 假如发生全反射的时候, 实际上还是有一点点的能量会透过界面, 到达背面的, 只是到达背面的能量实际上是对时间平均为零的东西. 唉, 光学还没学. )

于是我们可以通过收集隐失波的信息来了解(界面?)的特征.

分辨率可以达到: $10-50nm$, 限制因素是探针孔径

(老师的提问: 当线度缩小的时候, 即分界面只有寥寥几个原子的时候, 介质面的分界面无法直接看作是均匀介质, 那该怎么处理? 我的想法: 感觉好像没什么关系, 虽然老师说得很有道理, 可能是因为我不知道吧, 但是这个隐失波的现象不是只发生在表面 也就是一个近似于平面上的现象吗? 类似于只取一个平面? 也是不懂的地方. )

扫描隧道显微镜

(终于到了一个我还算是熟悉的地方了)

扫描隧道显微镜是利用了量子隧穿效应制成的东西, 具体的原理是: 电子在遇到一堵”墙”(也就是势垒)的时候, 会有一定的机率穿过去, 这个概率是和墙(势垒宽度)呈指数衰减关系的, 于是我们就可以加上电压, 那一根针悬在空中, 底下放一个接受的电极, 中间加上一块待测的很薄的材料.

当材料有一点点突出(比如说有一个原子在附近)的时候, 距离就会增大, 电流就会减少, 于是通过测量电流就可以得到材料表面的特征.

并且这个还有多种模式:

  • 恒流模式(调节探针高度维持恒定电流, 测量表面起伏大的样品)
  • 恒高模式(高度不变, 就是测量电流)

还有多种功能(操纵原子)呢:

  • 化学反应
  • 物理切割
  • 相互作用

更加牛的是: 分辨率: 水平0.1nm, 垂直0.01nm 可以做到实时观察, 输出三维图像 工作环境: 真空, 液体, 常温

这简直太香了有没有!

(泼冷水, 虽然它原理很简单, 造起来也很方便, 甚至最早的就只是用电烙铁焊接一下就可以了, 我们学长说, 探针就是只要他们自己去钨丝上切一段就好, 感觉十分简陋的样子. 但是真正要到很高精度, 还有保证很好的实验的时候, 又是另外一回事了. 这个是在杨福家的原子物理学上看到的.

“没准我也可以造”, 虽然这的确是我但是看完书之后的想法. )

后记

无 XD