我们通过显微镜看到的原子，是原子的原子核，还是包括电子在内的整个原子？
本帖最后由 yuanyukun888 于 2017-7-11 18:05 编辑这篇文章发表于1990年4月5日的nature正刊，题目是“Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope” （通过扫描隧道显微镜放置单个原子），被引用将近3000次，google scholar上有免费的下载链接。个人觉得这篇文章本身就是很好的解答。
文章作者DM Eigler, EK Schweizer都是IBM在加州圣何塞研究院的研究员。最早的隧道扫描显微镜是1981年由Gerd Binning和Heinrich Rohrer在IBM位于苏黎世的实验室发明的，1986年此二人和电子显微镜的发明人分享了诺贝尔物理学奖。可见隧道扫描显微镜是IBM的独门绝学，摆个自己人的Logo也不足为奇。十年光景，隧道扫描显微镜由单纯的观测进化成了操纵原子的有力工具，个人觉得再多个诺贝尔奖也不过分。
回到问题：我们从图中看到的究竟是什么？灰色的背景（单晶镍衬底）上有蓝色的点状物体。事实上，我们看到的颜色都是后期图像处理中渲染上去的，文章中真实的STM图像是这个样子的，图1：
https://pic2.zhimg.com/b7aa4b8127ca855b81f5d7549b3c8101_b.jpg
图中展示了这IBM是怎么一步步摆出来的。灰色和蓝色是为了区分镍和氙，再来一张侧视图：
https://pic3.zhimg.com/2475217e313206c40c485112cb780fb2_b.jpg
这张图能够弥补题图中缺失的比例尺。也就自然回答了题主的问题：题图显示的不可能是原子核，原子核的半径大概在https://www.zhihu.com/equation?tex=10%5E%7B-15%7D+%5Ctextrm%7Bm%7D数量级，而https://www.zhihu.com/equation?tex=1%5CAA+%3D10%5E%7B-10%7D+%5Ctextrm%7Bm%7D。这张图还告诉我们纵向和横向的比例尺是不同的，也就是说图像在纵向上略有拉伸。最重要的一点是，纵坐标不是电流，而是位置。
要解释清楚这图像究竟是什么意思，还要从隧道扫描显微镜的两种工作模式说起：恒定高度和恒定电流。一般来说，STM的探针可以用x,y,z三个轴上的压电控制器来调整位置，如果维持z不变，只改x和y，探测通过探针的隧道电流，那么这就是其他答案中介绍的恒定高度模式，又称开环模式。所谓开环，就是指没有反馈，不会根据探测到的电流相应的改变z的位置。由于隧道电流和探针与样品之间的距离有显式的对应关系，所以可以把电流换算成距离。距离是一个标量，标量可以对应成灰度。把这个灰度赋予探针当时所在的xy位置，就能得到一张图。这样做有什么不好呢？
假如样品表面凹凸不平，那么我们探测到的“距离“就不一定是探针正下方的情况了。极端情况下，探针可能一头撞在样品上，就报废掉了。想象一下你用手指想要了解一下刀刃的形状，如果一下子摸上去，肯定是要把手划破的。
如何在不把手划破的情况下，了解刀刃呢？最好是轻轻的摸上去，感受刀刃对手的压强，然后维持住这个压强，顺着摸下去。隧道电流探测就有这个特点：非常的灵敏，必须在很近才能有信号，远了就又没了，再近就撞坏了。因此就有了更加常用的第二种模式：恒定电流模式，又称闭环模式。在这种模式下，电路探测隧道电流，并试图通过负反馈回路把信号接回z方向，使得在xy方向移动时，z能够自动改变，使得隧道电流保持恒定（近似认为是距离恒定，而非高度恒定）。这就像用手顺着物体的轮廓摸了一遍，我的大脑能感知手的具体位置，也就知道了物体表面的情况。在闭环模式下，电流是定值，把z方向的偏离提取出来，就是xy所在点的高度，也就是题图。
下面引用文章原文：
”图1是在恒定电流模式下拍摄的……电流为https://www.zhihu.com/equation?tex=10%5E%7B-9%7D+%5Ctextrm%7BA%7D……我们可以在闭环状态下移动原子……“
最后一个问题，这种恒定电流有什么物理意义吗？和电子云究竟有什么关联呢？一般来说，工作在恒定电流模式，图像会是一个在三维空间中的等价平面。在这个等价平面上，具有相同的电子状态密度。也就是说，如果你把恒定电流设的小一点，你看到的IBM就会粗一些，原子可能会看着连在一起：这是低等电子状态密度面；如果你把恒定电流设的高一点，探针就会更贴近原子，组成IBM的那些氙原子看上去就会小一些。但无论如何，探针都不会与样品电子云大量重叠。如果大量重叠的话，会产生电荷斥力，要么划伤样品，要么撞坏探针。
所以我的回答是：你看到是电子云的外层的等电子状态密度面，是由探针在恒定电流模式下在三维空间中划出的数据点所测得的。
本文转载自知乎作者Hydro Ding
多谢楼主，文章非常好！！！
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