为什么原子分子没有实物图，只有模型？

心中u你

而且就算有实物图，应该很难观察，怎么画出的模型图。
一个原子看不到，那为什么很多很多个原子就可以被看到了呢？这其中是量的变化。还是什么原因导致了质变。

原文地址：https://www.zhihu.com/question/57480821

清风寡欲

先抖个机灵：一颗完美无缺的钻石就是一个可见可触的“实体分子”。



Science 340 (6139), 1434-1437, DOI: 10.1126/science.1238187

这篇论文捕捉到了各种环化产物。



Science 344, 885 (2014), DOI: 10.1126/science.1253405

类似的文章还有很多，但研究的小分子有个共同特点：大共轭平面。
那对立体的分子怎么办？因为小分子构象变化多端，一般需要获取分子的单晶才能用DRX“直观”地看见分子，拿我博士论文中的一个结构举例：分子比较flexible，单晶不易养出，好不容易拿到的单晶每个晶胞里都有四个“构象异构体”，依靠两组错开的分子间π-π堆积和两组间垂直的π-π作用形成，这些都是比较弱的分子间作用力。



https://www.theses.fr/2019PSLEC038

小分子都如此变化多端，更大的分子岂不是更难办了？在冷冻电镜发明以前是这样的，生物大分子比如蛋白质也需要养出单晶，这是一门伟大的玄学，而且培养单晶通常不在生理环境下，所以引起至关重要的生理活性的蛋白质构象往往是缺失的，非常不利于后续寻找药物靶点。
而冷冻电镜就是把蛋白质从生理环境急速降温使其构象冻结，然后断层扫描，最后3D整合出分子的模样。



被玻璃化的样品在大约倾斜-60⁰ 到 +60⁰的情况下于透射电子显微镜中成像



产生一系列可以组合以重建出三维图像的2D图像，即断层图



解析出来的模样



现在解析度越来越高啦

再说一个我觉得很神的纳米小车（JACS，2006, 128, 4854）：富勒烯作车轮，STM拍到了四驱车到处瞎跑和三轮车原地打转的图像。




PS：之前回答过的DNA折纸里也有很多“分子实物图”：
你知道的有哪些很酷的化学知识？PPS：最近又编译过一篇加拿大科学家用离子喷枪在硅片上雕刻出了一栋只能被扫描电镜看到的房子：
世界上最小的房子有多小？可以在头发上放10栋！

同花顺

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。

清风寡欲

为什么没有实物图

那么问题来了，什么是实物？

实物是宏观世界的一个概念，看得见摸得着的物体。微观世界是一种不定形的存在啊，看不见摸不着。题主硬将一个世界的概念搞到另一个世界，这样真的好吗？
不要试图什么都能看得见

可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400～760nm之间，但还有一些人能够感知到波长大约在380～780nm之间的电磁波。




一般情况原子分子的尺度是几个 Å 的量级，也就是零点几个纳米，相比于可见光的波长小了几个数量级。依照你高中基础的光学就知道，想看到自然是不可能的事。
当然并不是所有的分子都不可见，大分子比如蛋白质是可见的，但是它的结构依然是不可见的。
虽然我们不能直接看到微观世界是什么样子，但科学家为我们提供了一系列技术手段使得我们能够间接地观测微观世界。比如有TEM、STM、SEM、XRD、AFM等等。
各种电子显微镜，那不是看到的真实图像。那是利用电子与测试样品的相互作用得到相关数据，然后将数据处理使其可视化，你看到的样品电镜图片那不是真的像，是数据。让人再一次想起2015安徽省可笑的高考作文题。

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同花顺

　化学课上，我们没少在纸上画各种分子结构图，也没少听老师讲它们在化学反应中是怎么变化的，不过，这些示意图还是满足不了人们“眼见为实”的心愿。而现在，直接观测到化学反应中的分子变化也已经成为可能。最近，苏黎世IBM研究中心的研究者们就在《自然·化学》期刊上发布了他们拍到的化学反应“实况图”。



图片来自：Nature Chemistry

卡卡

实物图
如果是指隧道扫描图的话，



电子显微镜
（超薄玻璃）


。
而且，模型不是据实物图画出的，历史上原子的模型提出是由现有数据加猜想提出模型，再由实验证明修正。
一开始认为原子是实心的，电子像枣子一样镶嵌在原子上，叫枣糕模型
后来出现了历史上非常有名的实验
α粒子散射实验
卢瑟福用阿尔法粒子撞击金原子，得出原子内部十分空旷。
于是提出了著名的太阳系模型。电子像行星一样围绕原子核。

现在由量子力学修正为电子云模型。
模型主要是由实验数据和物理原理推断出的。
机械学生，对于原子物理了解少，欢迎专业人士指正。
谢谢。