为什么原子分子没有实物图，只有模型？
你问了一个非常好的问题，很多人都会有这个疑问。其实，我们之所以看不到原子和分子的“实物图”，以及它们只有模型，这背后涉及到了物理学、光学以及我们观察世界的方式这几个层面的根本原因。
首先，我们来聊聊“实物图”这个概念。我们通常理解的“实物图”，指的是用相机、显微镜等工具直接捕捉到的、肉眼可见的图像。比如，一张照片，或者一张通过光学显微镜放大的细胞图。这些图像的形成，依赖于光线在物体上反射或散射，然后被我们的眼睛或照相机捕捉到。
为什么原子和分子捕捉不到这样的“实物图”呢？
最核心的原因是它们太小了，远远超出了我们可见光的波长范围，也超出了任何传统显微镜的极限。
1. 尺寸的鸿沟：
想象一下，一根头发丝的直径大约是50到100微米（µm），也就是0.05到0.1毫米。
而一个原子，比如氢原子，直径大约是0.1纳米（nm），也就是0.0000001毫米。
一个分子，比如水分子（H₂O），它的尺寸也就在0.2到0.3纳米之间。
这就像你试图用一根粗绳子去测量一粒沙子的大小，根本就不可能。原子和分子的尺寸，比起我们日常所见的任何物体，小到了一个令人难以置信的程度。
2. 光的限制——“看”与“被看”的难题：
我们之所以能“看见”东西，是因为光线与物体相互作用，然后这些光线进入我们的眼睛。
要“看”清楚一个物体，你需要用波长比该物体尺寸短得多的光来进行照射。这样，光波才能“绕过”或“穿透”物体，并携带物体的结构信息回来。
可见光的波长范围大约在400到700纳米之间。
而原子和分子的尺寸，连可见光波长的百分之一都不到！
如果用可见光去“照”原子或分子，这些光波会轻易地绕过它们，就像水波绕过一个细小的柱子一样，根本不会发生有意义的反射或散射，也就无法成像。传统的显微镜（包括光学显微镜）就是基于光的衍射原理工作的，它们的极限分辨率也受限于可见光的波长，大约在200纳米左右。
3. 电子云的概率性质——“真实形状”的模糊：
即使我们能突破光的限制，原子和分子也不是像小弹珠那样拥有一个固定、清晰边界的“固体”形状。
量子力学告诉我们，原子中的电子不是围绕原子核做规律性运动的，而是以一种“概率云”的形式存在。我们可以计算出电子在某个区域出现的概率，但无法确定电子在某一刻的确切位置。
这意味着，原子和分子并没有一个我们能用“尺子”量出来的明确的、像桌子那样固定的“边”。它们的“边界”是模糊的、概率性的。所以，即使有方法能“看到”它们，也更像是一团模糊的光晕，而不是一个清晰的轮廓。
那么，我们为什么会有“模型”呢？
这些模型，实际上是科学家们通过间接的、精密的实验和理论计算，对原子和分子结构、性质进行推理和模拟的结果。它们不是直接拍摄的“照片”，而是基于我们对物理定律的理解构建出来的“概念图”或“工作模型”。
1. X射线衍射：
X射线具有比可见光更短的波长（约0.01到10纳米）。
当X射线照射到晶体（由规律排列的原子或分子组成）上时，会发生衍射，形成一系列的衍射图样。
科学家们可以通过分析这些复杂的衍射图样，运用数学方法（如傅里叶变换）反推出晶体中原子或分子的排列方式、键长、键角等信息。
比如，DNA的双螺旋结构就是通过X射线衍射数据推导出来的。
但这依然不是直接“看”到DNA分子，而是通过它与X射线的“互动”来“描绘”它的结构。
2. 扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）：
这两种显微镜是扫描探针显微镜的代表。它们是少数能够“看到”单个原子和分子的技术的。
STM利用的是量子力学中的“隧道效应”。它将一个非常尖锐的金属探针（末端只有一个原子）极其靠近样品表面。当探针和样品之间的距离极小时，电子会“隧道”穿过真空层，形成微弱的电流。这个电流对探针与样品之间的距离非常敏感。
探针以极快的速度扫描样品表面，同时保持恒定的隧道电流（通过调整探针的高度），记录下探针高度的变化。这些高度变化就反映了样品表面的地形，从而可以描绘出单个原子和分子的位置。
AFM则测量探针尖端与样品表面原子之间的范德华力等相互作用力。它同样是通过扫描记录探针高度的变化来成像。
STM和AFM提供的图像，更像是“地形图”或“电子密度图”，它们揭示了原子和分子的位置和相对大小，但依然不是光学意义上的“实物图”。而且，它们通常只能观察表面，或者在特定条件下才能成像。
3. 理论计算与模拟：
基于量子力学方程（如薛定谔方程），科学家们可以精确地计算出原子和分子的电子分布、能量状态、几何形状、化学键性质等。
这些计算结果，再结合已有的实验数据，就构成了我们理解原子和分子结构的基础。
我们看到的很多“原子模型”的图片，比如那个有行星围绕太阳运行的“拉塞福模型”，或者描述电子在特定轨道上的“玻尔模型”，甚至是更现代的“电子云模型”，都只是对这些计算结果和理论概念的一种可视化表达。它们是为了帮助我们理解那些抽象的、看不见的微观世界，帮助我们在脑海中建立一个工作模型。
总结一下：
原子和分子之所以没有“实物图”，是因为：
它们太小了，远远超出了可见光的波长范围，也超出了传统显微镜的分辨极限。
它们不是传统的“固体”，电子的分布是概率性的，没有明确的边界。
我们拥有的“模型”，是科学家们通过X射线衍射、扫描探针显微镜等间接实验方法，以及量子力学理论计算和模拟，经过长期探索和验证后，建立起来的关于原子和分子结构、性质的可视化理解框架。这些模型是工具，是概念的载体，帮助我们认识和理解这个我们肉眼无法直接触及的微观世界。
首先，我们来聊聊“实物图”这个概念。我们通常理解的“实物图”，指的是用相机、显微镜等工具直接捕捉到的、肉眼可见的图像。比如，一张照片，或者一张通过光学显微镜放大的细胞图。这些图像的形成，依赖于光线在物体上反射或散射，然后被我们的眼睛或照相机捕捉到。
为什么原子和分子捕捉不到这样的“实物图”呢？
最核心的原因是它们太小了，远远超出了我们可见光的波长范围，也超出了任何传统显微镜的极限。
1. 尺寸的鸿沟：
想象一下，一根头发丝的直径大约是50到100微米（µm），也就是0.05到0.1毫米。
而一个原子，比如氢原子，直径大约是0.1纳米（nm），也就是0.0000001毫米。
一个分子，比如水分子（H₂O），它的尺寸也就在0.2到0.3纳米之间。
这就像你试图用一根粗绳子去测量一粒沙子的大小，根本就不可能。原子和分子的尺寸，比起我们日常所见的任何物体，小到了一个令人难以置信的程度。
2. 光的限制——“看”与“被看”的难题：
我们之所以能“看见”东西，是因为光线与物体相互作用，然后这些光线进入我们的眼睛。
要“看”清楚一个物体，你需要用波长比该物体尺寸短得多的光来进行照射。这样，光波才能“绕过”或“穿透”物体，并携带物体的结构信息回来。
可见光的波长范围大约在400到700纳米之间。
而原子和分子的尺寸，连可见光波长的百分之一都不到！
如果用可见光去“照”原子或分子，这些光波会轻易地绕过它们，就像水波绕过一个细小的柱子一样，根本不会发生有意义的反射或散射，也就无法成像。传统的显微镜（包括光学显微镜）就是基于光的衍射原理工作的，它们的极限分辨率也受限于可见光的波长，大约在200纳米左右。
3. 电子云的概率性质——“真实形状”的模糊：
即使我们能突破光的限制，原子和分子也不是像小弹珠那样拥有一个固定、清晰边界的“固体”形状。
量子力学告诉我们，原子中的电子不是围绕原子核做规律性运动的，而是以一种“概率云”的形式存在。我们可以计算出电子在某个区域出现的概率，但无法确定电子在某一刻的确切位置。
这意味着，原子和分子并没有一个我们能用“尺子”量出来的明确的、像桌子那样固定的“边”。它们的“边界”是模糊的、概率性的。所以，即使有方法能“看到”它们，也更像是一团模糊的光晕，而不是一个清晰的轮廓。
那么，我们为什么会有“模型”呢？
这些模型，实际上是科学家们通过间接的、精密的实验和理论计算，对原子和分子结构、性质进行推理和模拟的结果。它们不是直接拍摄的“照片”，而是基于我们对物理定律的理解构建出来的“概念图”或“工作模型”。
1. X射线衍射：
X射线具有比可见光更短的波长（约0.01到10纳米）。
当X射线照射到晶体（由规律排列的原子或分子组成）上时，会发生衍射，形成一系列的衍射图样。
科学家们可以通过分析这些复杂的衍射图样，运用数学方法（如傅里叶变换）反推出晶体中原子或分子的排列方式、键长、键角等信息。
比如，DNA的双螺旋结构就是通过X射线衍射数据推导出来的。
但这依然不是直接“看”到DNA分子，而是通过它与X射线的“互动”来“描绘”它的结构。
2. 扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）：
这两种显微镜是扫描探针显微镜的代表。它们是少数能够“看到”单个原子和分子的技术的。
STM利用的是量子力学中的“隧道效应”。它将一个非常尖锐的金属探针（末端只有一个原子）极其靠近样品表面。当探针和样品之间的距离极小时，电子会“隧道”穿过真空层，形成微弱的电流。这个电流对探针与样品之间的距离非常敏感。
探针以极快的速度扫描样品表面，同时保持恒定的隧道电流（通过调整探针的高度），记录下探针高度的变化。这些高度变化就反映了样品表面的地形，从而可以描绘出单个原子和分子的位置。
AFM则测量探针尖端与样品表面原子之间的范德华力等相互作用力。它同样是通过扫描记录探针高度的变化来成像。
STM和AFM提供的图像，更像是“地形图”或“电子密度图”，它们揭示了原子和分子的位置和相对大小，但依然不是光学意义上的“实物图”。而且，它们通常只能观察表面，或者在特定条件下才能成像。
3. 理论计算与模拟：
基于量子力学方程（如薛定谔方程），科学家们可以精确地计算出原子和分子的电子分布、能量状态、几何形状、化学键性质等。
这些计算结果，再结合已有的实验数据，就构成了我们理解原子和分子结构的基础。
我们看到的很多“原子模型”的图片，比如那个有行星围绕太阳运行的“拉塞福模型”，或者描述电子在特定轨道上的“玻尔模型”，甚至是更现代的“电子云模型”，都只是对这些计算结果和理论概念的一种可视化表达。它们是为了帮助我们理解那些抽象的、看不见的微观世界，帮助我们在脑海中建立一个工作模型。
总结一下：
原子和分子之所以没有“实物图”，是因为：
它们太小了，远远超出了可见光的波长范围，也超出了传统显微镜的分辨极限。
它们不是传统的“固体”，电子的分布是概率性的，没有明确的边界。
我们拥有的“模型”，是科学家们通过X射线衍射、扫描探针显微镜等间接实验方法，以及量子力学理论计算和模拟，经过长期探索和验证后，建立起来的关于原子和分子结构、性质的可视化理解框架。这些模型是工具，是概念的载体，帮助我们认识和理解这个我们肉眼无法直接触及的微观世界。
网友意见
这是世界上第一张肉眼可见的一个原子的照片。
看到了么，中间那个略带发光的蓝紫色的小点，就是一个锶原子。
我们知道，原子实在是太小了，直径的数量级大约是10⁻¹⁰m。说数量级大家都没什么直观的概念，打个比方，你看一下你正在刷屏的拇指。假设一个拇指和你所在的房间一样大，我们用大米填满这个房间，每一粒米就代表你拇指的一个细胞。现在让把这粒米变成你所在的房间一样大，我们再次用大米填满这个房间，每一粒米就差不多是一个蛋白质的大小，让我们再用沙子塞满米粒之间的空隙，原子大概就是一粒沙子这么大。
原子如此之小，即使在最强大的光学显微镜下，我们也不可能看到原子长什么样子。所以你看其它回答都是用大型透射电镜等设备用电子束穿透拍摄到的。但矛盾的是，在上面这张真实的光学成像的照片中，你可以用肉眼看到一个锶原子。
这张照片是由牛津大学的量子物理学家大卫·纳德林格拍摄的，被称为“离子陷阱中的单个原子”。大卫设法捕捉到了一幅在题主问问题时人们还认为不可能拍出来的图像：单个原子悬浮在肉眼可见的电场中。这张照片已经赢得了2018年英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)举办的最佳科学照片和成像大赛的大奖。
照片显示，一个锶原子被束缚在一个强大的电场之中。蓝紫色激光指向这个原子，导致原子发光。这张照片不仅捕捉到了原子，还捕捉到了它在激发态时发出的光。
之所以用锶做这个实验，是因为有38个质子的锶相对较大,半径约为一毫米的10亿分之215，可以通过一个巧技，用高功率激光照亮从而使得锶原子的电子接收能量并开始稳定的受激发光。相隔两毫米的一对金属电极在真空中产生了一个强大的电场（这里还涉及到塞曼减速器和磁光阱等黑科技，也是锶原子光晶格钟里能让锶原子的速度降到每秒几厘米量级的原因，这里不展开了），保证锶原子的位置稳定，并被一个蓝紫色激光照亮。一旦带电电子发出足够的光，即使用最普通的相机也能拍摄到它。
但是，如果你亲自站在这个装置旁边，你什么都看不到。这张照片是通过长时间曝光来拍摄的，受限于肉眼的光通量，用肉眼还是无法直接看到这个单个原子。
宇宙的基本构造是决定宇宙自然法则的东西，这张奇妙的照片，把宇宙基本构造的微观世界和我们的宏观现实宇宙连接在了一起。
实际上是有实物图的，13年的时候有科学家第一次拍到了氢原子的电子结构：
图来自：Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States
不过原子尺度的照片的确不好拍，主要是尺寸太小，现有的成像技术分辨率有限。
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