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图13.12 石英音叉安装在原子力显微镜的Scanner（扫描器）上
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这种原子力显微镜的基本工作原理说起来还是挺简单的。首先我们把石英音叉安装在扫描器顶部的驱动电路上，扫描器负责在X、Y、Z方向上移动音叉，驱动电路负责激发音叉在其共振频率上振动。然后在音叉的一侧用耐低温的特殊胶水粘贴上一根用钨丝加工出来的探针，这根探针尖端直径在100nm以下。把一根直径0.2mm的钨丝准确地放到音叉侧壁上，用胶水粘牢，还不能碰到钨丝探针的尖端，这可是个跟高空走钢丝差不多难度的技术活，稍不留神，钨丝就从音叉侧壁上滑落，坠入万丈深渊。探针安装好以后，就可以用它来扫描物体表面，获得非常高分辨率的显微照片了，这个过程如图13.13所示。首先我们让音叉在其共振频率上振动，然后通过扫描器在Z方向上的运动，让探针非常靠近物体表面，针尖与表面的距离一般在10nm以下。这时，针尖就能感受到物体表面对它的微弱原子力（这个力取决于很多因素，可以是范德瓦尔斯力、静电力、磁力等）。然后，通过扫描器带动音叉探针在水平方向开始移动。当物体表面在原子尺度上是平整的时候（如某一个晶体的晶面上），探针和物体之间的距离保持不变，从而原子力也不变，音叉的振幅恒定。但是，一旦物体表面出现一些起伏，比如某个地方多冒出来一层原子，图13.13中用一个小台阶来示意，则探针感受到的物体表面给它的原子力增大，阻碍音叉的振动，振幅就会变小。这个信号通知反馈电路，使扫描器带动音叉探针在Z方向远离表面，直到振幅恢复到最初值为止，即使探针尖端与物体表面恢复到原来的距离。与原子力显微镜相连的电脑记录下扫描器的运动轨迹，并画出图来，就表现了这一段水平方向的路程上物体表面的高低起伏（如图13.13最后一幅图所示）。
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图13.13 原子力显微镜获得物体表面形态的过程
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按照这种方式，我们获得了一条线上的高低起伏。如果要获得整个表面的形态，只需要按照图13.14（A）的方式进行扫描即可。图13.14（B）展示了通过原子力显微镜“拍摄”到的一个实验样品表面的形态。这是一根直径为1nm的碳纳米管，它的上面有两根用来测量碳纳米管电阻的金属电极。用最好的光学显微镜，我们可以看到金属电极，但是却永远也不可能看到碳纳米管。而原子力显微镜则很清晰地呈现了它的样子。这个样品是几年以前我花了一个星期制作的，其中步骤繁杂，不足为外人道也。纳米科研人员整天就与这些尺寸为几个纳米的物质打交道，测量它们的电学、光学、热学等各种性质。
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图13.14 （A）探针在表面扫描的轨迹；（B）原子力显微镜下看到一根碳纳米管被两个金属电极接触
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通过上面的描述不难发现，光学显微镜是通过聚焦物体表面反射的光，一次性把要观察的物体成像在CCD或人眼中；而以原子力显微镜为代表的扫描探针显微技术（Scanning Probe Microscopy）是通过一个微小的探针，逐点获取表面信息。对光学显微镜的分辨率起到最主要限制作用的光的衍射问题在这里就完全避免了。实际上，就是利用这一毛钱一个的石英音叉制作的原子力显微镜，科研人员可以看清楚物体表面的原子（尺寸在0.2nm）。比如把音叉在显微技术方面运用得神出鬼没的德国物理学家Franz J. Giessibl先生，读者能从他的研究主页上[1]看到他在2000年左右用音叉原子力显微镜观察到的硅晶体表面原子结构。
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作为业余科学家，虽然不能实现这么高的分辨率，但是我们也可以利用石英音叉制作一个自己的原子力显微镜。实际上，我们能从网上搜索到国外的科学爱好者自己搭建原子力显微镜的详细介绍。希望本书的读者中（包括我）有人能在不久的将来做出一个我们自己的业余原子力显微镜来。
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[1].http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/giessibl/neu/research/qplus-sensor_e.phtml，或者搜索Franz J.Giessibl，并在他的主页上点击“qPlus Sensor”。
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074938]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 14 给太阳量体温
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一分钟简介
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在本章中，你将看到如何用非常简单的材料自制光谱仪。通过分析太阳的光谱成分，我们可以遥测出太阳的温度。同样的光谱仪还能用来测量节能灯的谱线，从这些五彩缤纷的线条中我们可以探索多彩的原子世界。
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闲话基本原理
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大学二年级时，我的物理实验课老师是一位仙风道骨的老教授，老北京人，说起话来京味儿四溢。有一次讲温度的测量，老人家说，这可不是一件容易的事，比如我们可以用普通的温度计放在腋下测量人的体温；但是如果要给一只蛐蛐儿量体温，还是用这支温度计的话，你是不是得跟蛐蛐儿商量，辛苦你呐，把胳膊腿儿抬一抬！
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多年以后，老教授说这番话时的神情依然历历在目，我想当年在京城天桥撂地说摊的穷不怕先生大概也就是这样的。玩笑之余，教授其实是想告诉我们，当我们做实验测量某一个物理量时，必然会对这个量产生或大或小的影响。比如用温度计测量人的体温，因为室温一般与体温不同，所以处于室温的温度计接触人体的时候，就会和人交换热量，从而影响人的体温，但是这个影响是微乎其微的。但是如果用同样的温度计来测量一个和它尺寸相当的物体的温度，比如蛐蛐儿，那么温度计的接触就会对蛐蛐儿的温度产生巨大的影响，从而我们测量到的不再是我们想要的物理量。
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为了解决这个问题，除了制造更小的温度计以外，还有没有更好的办法，可以把对被测物的干扰降到最低呢？我想大家都有过这样的印象，电热炉的电阻丝在加热的过程中都是先变成暗红，然后变成橘红，接着变黄，当温度非常高时，电阻丝会发出明亮的白光。也就是说，电阻丝发出的光的颜色与它的温度相关。实际上，任何时候电阻丝都发出各种颜色（即各种波长）的光，只不过温度低时红光占主要成分，所以看起来就是暗红色的。随着温度升高，波长更短的光，比如黄光的比重开始增加，然后是蓝光变强，最后电阻丝就变成了明亮的白色了。可以预见，如果我们能分析一个发热物体所发出光的光谱，那么我们就能推测出它的温度来。
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实际上，对于所有受热发光的物体，当它们和周围的环境处于平衡状态，温度保持稳定时，我们都可以用一个叫作“黑体”（Blackbody）的东西来进行模拟。物理学中，黑体是这样一种物体，它能把所有照射到它身上的光都吸收，同时均匀地朝四面八方放射出各种波段的电磁波，辐射的能量与入射的能量相当，即它和周围环境中的电磁波达到热平衡，温度保持恒定。对于黑体，我们可以通过分析它的光谱，精确地推算出它的温度，因为有一个叫作维恩位移定律（Wien’s Displacement Law）的物理规律指出，黑体的光谱中强度最大的光波波长与黑体的温度有一个简单的关系：
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