从公元前约450年古希腊哲学家德谟克利特提出原子的设想，到近代化学的发展，人们对原子的认识逐渐清晰起来，原子的概念也被广泛接受，并成为近代化学的基石之一。然而，到了19世纪人们还没有真实地“看”到原子，甚至原子是否真的存在还一度被人质疑。1827年，苏格兰植物学家布朗发现水中的花粉在作不规则的抖动，这被称为“布朗运动”。爱因斯坦对布朗运动做出了解释，认为是液体分子的不均匀碰撞引起的，这就成为了分子、原子存在的证据。到了20世纪初，随着电子、质子和中子的发现，人们对原子的认识终于有了一个较完整的图像。但是，原子仍然没有被直接“看”到。
古希腊科学家德谟克利特
布朗运动示意图
为什么看到原子这么困难呢？我们先了解一下“看”的过程，确切地讲，是采用光学手段观察的过程。我们看到一个物体是由于光在物体的表面发生反射后进入肉眼或是观测仪器。原子大约只有头发丝粗细的100万分之一那么大，比如氢原子的直径大约是5纳米。我们知道，光也是一种电磁波。可见光的波长范围大约为400～700纳米，这要比原子大得多了。对于波来说，如果遇到比它的波长还小的障碍物，就不会被反射，而是绕过障碍物继续前进，这种现象就是波的衍射。现在很明显了，光不能被一个原子反射，那么即使用倍数再高的显微镜，也无法看到！那么，原子真的就看不到了吗？
扫描隧道显微镜和看到的样品表面形貌
一个直接的想法是，既然可见光的波长对于原子来说太大了，那么可以用更短的波长。量子力学告诉我们，一切粒子都可以有波动性质，这被称为物质波，只不过物质波的波长非常非常短。比如电子，它的物质波波长只有原子大小的1/1000左右，一束电子打在原子上就像一束光照在我们日常生活中普通的物体上一样，可以从不同的角度被反射。这正是电子显微镜的原理。1931年，德国物理学家恩斯特·鲁斯卡发明了第一台透射电子显微镜。到目前，透射电子显微镜的分辨率已经可以小于0.2纳米。由于透射电子显微镜需要产生高速电子流，要求高电压以及真空环境，并且需要电子穿透样品，所以样品还需要预先被切割成极薄的切片（约50纳米）。
1981年，在IBM公司的苏黎世实验室里，瑞士物理学家海因里希·罗雷尔和德国物理学家格尔德·宾宁发明了利用电子隧道效应的扫描隧道显微镜。现在的扫描隧道显微镜已经可以达到0.1纳米的分辨率。同时，扫描隧道显微镜并不需要很高的电压，也不用工作在高真空环境中。
透射电子显微镜和扫描隧道显微镜的发明，使得人类第一次可以直接观察到原子，成为物理、化学、生物、材料科学研究的有力工具。（李力）
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