มีนักเรียนกี่คนที่ได้รับการบอกกล่าวระหว่างคาบเรียนวิทยาศาสตร์ครั้งแรกที่โรงเรียนว่าอะตอมนั้นเล็กเกินกว่าจะมองเห็นได้ แท้จริงแล้ว ด้วยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไปที่ 10 -10 ม. นักวิทยาศาสตร์หลายคนถือว่าอะตอมเป็นบทความแห่งความเชื่อมาช้านาน เรามองไม่เห็นอะตอม เราได้รับการสอนในเวลาต่อมา เนื่องจากการเลี้ยวเบนทำให้ขีดจำกัดพื้นฐานในความละเอียดของภาพ พูดอย่างคร่าว ๆ
คือ เรามอง
ไม่เห็นอะไรที่เล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ใช้สร้างภาพ และเนื่องจากความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็นนั้นกว้างกว่าระยะห่างปกติระหว่างอะตอมสองอะตอมประมาณ 10,000 เท่า เราจึงไม่สามารถมองเห็นแต่ละอะตอมได้ แต่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบอื่นมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่ตามองเห็น
ตัวอย่างเช่น รังสีเอกซ์ที่ใช้ในผลึกศาสตร์มีความยาวคลื่นน้อยกว่าหนึ่งนาโนเมตร ปัญหาคือการโฟกัสรังสีเอกซ์เป็นเรื่องยากมาก โชคดีที่กลศาสตร์ควอนตัมให้ทางเลือกในการดูโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์: อนุภาคของอะตอม กลศาสตร์ควอนตัมกำหนดว่าอนุภาคทั้งหมดมีความยาวคลื่น
โดยที่hคือค่าคงที่ของพลังค์ และpคือโมเมนตัมของอนุภาค ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งความเร็วเป็น 0.78 เท่าของความเร็วแสงจะมีความยาวคลื่น ซึ่งน้อยกว่าระยะห่างระหว่างอะตอมโดยทั่วไปประมาณ 100 เท่าในของแข็ง นอกจากนี้ เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุ จึงสามารถเบี่ยงเบน
โดยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ด้วยการรวม “เลนส์” แม่เหล็กไฟฟ้าเข้ากับปืนอิเล็กตรอน และเพิ่มระบบตรวจจับอิเล็กตรอนบางประเภท เราก็มีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ตลอด 70 ปีที่ผ่านมา เครื่องมือเหล่านี้ช่วยให้นักวิจัยในหลากหลายสาขาวิชาได้รับภาพที่มีคุณค่าและมักจะสวยงามของกล้องขนาดเล็ก
พิเศษ ปัจจุบัน กล้องจุลทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุดรุ่นหนึ่งของโลกสามารถแยกคอลัมน์อะตอมแต่ละคอลัมน์ในวัสดุต่างๆ เช่น ซิลิกอน (ดูรูปที่ 1) กล้องจุลทรรศน์รุ่นพิเศษนี้ซึ่งมีอายุมากกว่า 10 ปี สามารถบรรลุระดับความละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อน (ประมาณ 19.00 น.) เนื่องจากส่วนประกอบพิเศษที่มีจำหน่าย
ในท้องตลาด
ที่เรียกว่า “ตัวแก้ไขความคลาดเคลื่อน” การเพิ่มตัวแก้ไขความคลาดให้กับกล้องจุลทรรศน์ก็เหมือนกับการใส่แว่นตา ทำให้กล้องจุลทรรศน์สามารถมองเห็นสิ่งที่ไม่สามารถมองเห็นได้มาก่อน สิ่งนี้ได้ปฏิวัติการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุ ตัวอย่างเช่น ความสามารถในการตรวจจับข้อบกพร่อง
ในการจัดเรียงอะตอมในคริสตัลอาจหมายถึงความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานหรือไม่ทำงาน และความสามารถในการ “มองเห็น” การจัดเรียงอะตอมอย่างแม่นยำในวัสดุเป็นสิ่งสำคัญสำหรับนาโนเทคโนโลยี ซึ่งอุปกรณ์ต่างๆ อาจสร้างขึ้นจากอะตอมเพียงไม่กี่ตัว
กล้องจุลทรรศน์อยู่ในโฟกัส กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีหลายรสชาติ สิ่งแรกที่เกิดขึ้นคือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นในปี พ.ศ. 2476 ที่วิทยาลัยเทคนิคในกรุงเบอร์ลิน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านเป็นลูกพี่ลูกน้องอิเล็กทรอนิกส์ของกล้องจุลทรรศน์
แบบส่องผ่าน: ลำแสงของอิเล็กตรอนผ่านตัวอย่างบาง ๆ ตามด้วยชุดของเลนส์ ก่อให้เกิดภาพขยายสูงของตัวอย่างบนหน้าจอ พบว่าพวกเขาสามารถโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอนด้วยเลนส์แม่เหล็กที่ผลิตขึ้นโดยการส่งลำแสงผ่านขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านสมัยใหม่
บางทีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่แพร่หลายมากที่สุดคือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ซึ่งบุกเบิกในช่วงปลายทศวรรษที่ 1940 และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในกล้องจุลทรรศน์เหล่านี้ เลนส์จะถูกวางไว้หน้าตัวอย่าง ทำให้สามารถโฟกัสอิเล็กตรอนไปยังจุดเล็กๆ
ที่จะสแกนบนพื้นผิวเพื่อสร้างภาพ 2 มิติ (ลำแสงอิเล็กตรอนยังสามารถทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนซึ่งจะสลายตัวและปล่อยรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะออกมา ดังนั้นจึงทำให้สามารถวิเคราะห์องค์ประกอบได้) ความสามารถของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดในการถ่ายภาพตัวอย่าง
จำนวนมาก
ทำให้มีความหลากหลายอย่างมาก ในขณะที่ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านถูกจำกัดโดยความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนและคุณภาพของเลนส์ ความละเอียดของความหลากหลายในการสแกนจะถูกจำกัดโดยพื้นที่อันตรกิริยาที่ค่อนข้างใหญ่ระหว่างลำแสงและตัวอย่าง
อย่างไรก็ตาม กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านสามารถศึกษาข้อบกพร่องในผลึกในระดับอะตอมได้ ลูกผสมของเครื่องมือทั้งสองนี้คือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบส่องกราด ซึ่งพัฒนาขึ้นในปี 1970 ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก ด้วยการสแกนลำแสงอิเล็กตรอนแบบโฟกัสที่ผ่านตัวอย่างบาง ๆ
ที่มีการแพร่กระจายน้อย จึงมีความสามารถในการวิเคราะห์ทางเคมีในท้องถิ่นที่ยอดเยี่ยม เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด เนื่องจากมีเพียงส่วนเล็ก ๆ ของตัวอย่างเท่านั้นที่ได้รับแสงจากจุดโฟกัสขนาดเล็ก และเช่นเดียวกับกล้องจุลทรรศน์แบบส่องผ่าน มันมีความละเอียดเชิงพื้นที่
ที่ดีพอที่จะสร้างภาพของอะตอม แม้จะมีพัฒนาการทั้งหมดนี้ แต่ในความเป็นจริงแล้ว กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไม่ใช่เครื่องมือชนิดแรกที่ “เห็น” อะตอม และเพื่อนร่วมงานบรรลุความก้าวหน้าดังกล่าวในปี 1955 โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ไอออนภาคสนาม ในอุปกรณ์นี้ มีการใช้สนามไฟฟ้าขนาดใหญ่
กับปลายโลหะแหลมในแก๊สความดันต่ำ เพื่อให้อะตอมของแก๊สที่มาถึงปลายนั้นแตกตัวเป็นไอออนแล้วถูกเร่งให้ออกไปจนกระทั่งชนกับตะแกรง เนื่องจากกระบวนการนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในบางตำแหน่งบนพื้นผิวของทิป เช่น ที่ขั้นบันไดในโครงสร้างอะตอม รูปภาพที่ได้จึงแสดงถึงโครงสร้างอะตอม
