我們簡單計算一下放大多少倍能夠看到原子核

原子直徑的理論數量級約10^-10m也就是100億分之一米放大100億倍原子看起來就有1米直徑不要以為放這么大就可以看清原子內部了還早著呢

所謂原子內部就是原子核原子核由中子和質子組成原子核直徑的數量級為10^-15m也就是說比原子直徑還要小10萬倍那么這個原子直徑有1米了再小10萬倍有多小呢只有0.01mm也就是百分之一毫米10個微米人的眼睛能夠看到最小的張角約0.07毫米看到的這個原子核還是在人肉眼分辨極限以下更別說看到內部了

如果看到的這個原子核有1毫米大理論上應該能夠計算出里面最簡單原子核里面的質子和中子了如氫氦鋰鈹硼碳等里面的質子只有1~6個這些元素如果中子與質子相當還可能能夠看出復雜一點的同位素或重原子核根本無法看清楚

如果放大后相當1厘米大小大概是可以看出重元素原子核內部情況了吧我們看一下需要放大多少倍如果要把原子核放大到1毫米大小就需要比100億倍再加100倍要放大到1厘米大小就需要在100億倍基礎上再增加1000倍這樣顯微鏡就需要達到10000億~100000億倍

現代顯微鏡放大倍數極限

現在的光學顯微鏡就是那種經典傳統看細菌的望遠鏡放大倍數最高只能達到1600~2000倍不要說看原子就是看病毒也無法看到因為光學望遠鏡的分辨率只有200~300nm一般病毒大小在幾十到100nm之間而原子尺寸在0.1nm就更看不到了

現代電子顯微鏡最大放大倍數在300萬倍左右是光學望遠鏡的約1500倍最小分辨率約0.2nm因此勉強可以看到原子大致的樣子但只是一個的較為模糊的圖像看得并不很清楚原子放大了300萬倍有多大呢10^-10/3000000=0.003m就是3個毫米這個原子圖像在人眼視界里有3個毫米大小已經夠大了通過顯示器放大就能夠看到原子的大致樣子

但原子核則比這個原子的電子外殼直徑還要小100000倍因此現代電顯微鏡放大倍數要看到原子核里面還是遠遠不夠的

當然顯微鏡的放大倍數并不能這么簡單理解分辨率多少還有很多復雜的因素確定這里只大致給出一個參考顯微鏡的種類很多如光學顯微鏡就有暗視野顯微鏡相位差顯微鏡熒光顯微鏡偏光顯微鏡等等電子顯微鏡有透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡掃描隧道顯微鏡原子力顯微鏡等等

顯微鏡放大倍數最根本的是受到入射光源波長限制

顯微鏡放大倍數和分辨率受到很多因素影響如透鏡質量機械裝配質量等多方面因素都可以影響顯微鏡的分辨率和放大倍數但即便透鏡和機械裝置做得再完美最終顯微鏡放大倍數和分辨率也不是無限的最終受到入射光源波長限制

這是因為人觀察事物完全依賴光也就是說物體必須發出光或者得到光的照射人眼才能夠看到不管是光學顯微鏡還是電子顯微鏡都必須有一個光源入射被觀測物體才能夠被看到當被觀測物體小于入射波段的一半時就不會被觀測到

這里說的光是廣義的光包括可見光和不可見光就是指電磁波譜全頻段電磁波由無線電波紅外線可見光紫外線X射線伽馬射線組成可見光只占據整個電磁波譜中窄窄的一小段波段約在380~760nm之間比可見光波長更短的紫外線波長在10~380nm之間X射線波長在0.001~10nm之間伽馬射線在0.001nm以下最短可達10^-20m以下

不同顯微鏡所采用的光源不一樣

光學顯微鏡是以可見光為光源觀測物體的因此最高分辨率只能達到約200nm而電子顯微鏡一般是用電子束掃描或透射的電子束的波長隨著能量（電壓）加大而縮短當電壓為50～100kv時波長約為0.0053～0.0037nm之間

電子顯微鏡不是通過人眼直接觀察看到的物體的更貼切的說應該是靠摸電子束或者X射線伽馬射線轟擊到被檢測物體上把摸到的信號記錄下來或收集起來這種信號有透射物體時感受到的物體形態或發射到物體上被激發出的次級電子輻射形態通過電腦分析成像用顯示屏顯示出來

目前的電子顯微鏡分辨率可以達到0.2nm甚至更高就可以把原子的樣子描述出來

理論上如果用伽馬射線作為光源照射物體分辨率還能夠達到更高因為伽馬射線的波長可短至10^-20m以下也就是0.00000000001nm以下但微觀粒子位置和動量受不確定性原理限制無法同時確定其位置和動量也就是說無法準確的觀測它們又叫測不準定律

迄今為止人類無法準確觀測亞原子粒子

亞原子粒子也就是比原子更小的粒子受量子力學測不準定律約束無法準確同時測到其位置和動量這是由于微觀粒子的基本特性所決定也是由于觀測所需要的光所決定

電磁波有個特性就是波長越短頻率越高能量越大而觀測越小的物體所需要的波長就越短因此能量就越大這就形成了一個無法解決的矛盾本來觀察越小的物體越要小心翼翼別驚動它才能夠看清它的樣子但需要更小的波長才能夠看到它說給出的能量越大對它的驚動只能越大

這一點點能量打在宏觀物體上面可能九牛一毛完全可以忽略不計但打在一個質子或電子身上哪怕只是一個光子也會給它很大的一個動量這個被觀測物體就很可能永遠沒辦法確定位置了

微觀粒子具有波粒二象性既是粒子又以概率波的形式存在如我們觀測原子永遠也看不到單個的電子只能以電子云的形式出現因此人類對微觀世界基本粒子的理解都只能通過理論間接理解科學家們通過大型對撞機對一些微觀粒子的碰撞觀測它們的軌跡和極其細微的質量和電荷變化然后通過模型把它們刻畫出來迄今還沒有任何辦法直接觀測到

所以所謂放大多少億倍能夠看到原子核內部的問題至少從目前的人類科技能力來看還是不切實際的