討論小粒子及掃描式探針顯微鏡問題

講座四

本次講座提出的問題為，是否可能藉由感覺或目視證實鍵的真實性。先由20世紀初期「透視眼」騙子所做的實驗談起。他們聲稱可以「看見」原子和分子的詳細結構，目的在於討論科學信仰的真正基礎。然而，此舉顯示了分子的規模並非難以想像的小，牛頓和富蘭克林因而進行了能夠測量到如此小距離的簡單實驗。近25年來，各式各樣掃描式探針顯微鏡的實現，使化學家能夠「感覺」到個別分子和原子，但無法感覺到鍵。

講座四：討論小粒子及掃描式探針顯微鏡問題

    Michael McBride 教授：Okay，上堂課時我們瞭解到，路以士並不愚蠢。他知道恩紹定理，但他仍然認為有一個電子形成的八隅體圍繞著原子核。他怎麼會這樣認為呢？因為如果遵循平方反比力定律，就不存在有電荷靜止的狀態，除非它們正好彼此相疊或分散四處。因此，他是怎麼想的呢？ 學生：這不是平方反比定律。 Michael McBride 教授：這不是一個平方反比力定律，在標度非常小時，庫侖定律不成立。J.J.湯姆生有同樣的想法，並寫下了這兩個項。第一項確實是庫侖定律，另一項是c/r。因此，只要 r 非常大，你不比較－你就不需考慮這個項。只要它與 c 相較之下是非常大的。c 是指類似於原子大小的距離。因此，一旦 r －一旦粒子間距離接近到能彼此影響；就電子和原子核來說，一旦它們間的距離接近 c，那麼 c/r 這個項就會變得很顯著。如果 r 非常小，它甚至會改變正負號，引力會變成斥力。因此這個定理可以用於預測結構。 那是1923年的事。到1926年，僅僅3年後，量子力學發展出來，並證明庫侖定律是可行的。庫侖定律沒有問題，在比原子大小小很多很多，甚至小到 10^20 的距離下，庫侖定律仍然適用。錯誤的地方在於他們處理動能的方法，因為量子力學重新表述了動能，因此，它給了你電子雲的觀念。電子雲不帶正電荷－ 記住J.J. 湯姆生的構想是一個帶正電荷的球體，在其中他放入了電子－而電子雲是由電子形成，並將原子核放入其中，以形成分子。因此，它確實是－他的葡萄乾布丁模型是對的，他只需將電荷正負顛倒過來。沒有多少人相信他的理論，因此路以士的立方體－八隅體模型，和專有的靜電作用力定律，就像在這裡，c/r這個項，很快消失於傳統的化學和物理學中。確實很快，我的意思是說，在一個月內。但是，共用電子對，未成對電子的觀念，的確是由路以士提出，依然有用的工具，尤其是討論到結構和鍵結時。因此，我們仍然使用它，這就是為什麼你今天要做的習題與其相關，請說，Niko？ 學生：是的。你能再解釋一下動能定理嗎？ Michael McBride 教授：好的，但我一個星期後才會教，因為它需要花一點時間。Okay，恩紹說，沒有最低能量結構，對點電荷來說－這是指，傳統觀念中的點電荷沒有，但如果用量子力學觀點，並周旋於動能上，你就可以找得到。但是，先不管恩紹理論，路以士可能是對的嗎？共用電子對形成的鍵，和未成對電子仍可能存在嗎？鍵是指什麼？而這正是我們要試圖瞭解的。你如何得知，或者你如何去瞭解它？我們要如何得知，是否有電子對是原子間共用的？原子上是否有未成對電子？我們要如何才能得知？ 學生：實驗。 Michael McBride 教授：沒錯。你必須做實驗。那麼，是什麼樣的實驗？這些實驗都是很難的，為什麼這些實驗困難？ 學生：它太小了。 學生：它實在太小了 Michael McBride 教授：因為這些粒子－好，我們可以看到，或是說我們可以感覺到這些電子對是否存在。但有個問題，正如你所說，它是難以想像的小。就是我們要去找、去觀察、或是去感覺的這些粒子，Okay？但真的難以想像它們有多小嗎？當我在你們這個年紀時，大家都認為是的。它們是難以想像的小，小到我們幾乎忘了它的存在，對嗎？但有更新近的技術，能讓你可以真正看到像那麼小的東西。至少使你可以更清楚的思考它們。第一個看到它們的想法是來自這本書，事實上這本書出版－這本是第三版。第一版是在1909年出版，第二版在1919年，這是第三版，它仍在繼續發行。你可以上網購買這本書，各位。《超自然化學－一系列化學元素透視觀察》由安妮．貝贊特和查理斯．李德彼特合著。因此，這些超自然學派化學家，於1895年開始實踐他們的事業。查理斯．韋伯斯特．李德彼特（別名「主教」），是其自創教會的主教，他是主教首領；共約有100位主教和500名成員屬於這個宗教。這是安妮．貝贊特，她是整部歷史中最有趣的人物之一。在她去世的那天，印度關閉了證券交易所，這是其中一個例子。在她的－這是她設計的裝束，用於帶領印度的童子軍。她還向蕭伯納求婚，關於安妮．貝贊特有各式各樣有趣的事。但我們感興趣的是，她可以看見原子。他們的助手－之後他成為該項實驗的領袖，這是Jinarajadasa。 Okay，這來自書中的一頁，取自最後在1895年出版成書的論文。這顯示了他們能看到氫原子、氧原子和氮原子。這裡有一些階段。最低的相是固體，H O N，然後是液體，再來是氣體。因此，這就是，當進入某種催眠狀態時，他們就可以看到。這是氣體，然後這是以太4、以太3、以太2和以太 1的相，有著越來越高的解析度。你們可以看到這些。例如這些，你在這裡看到的小點放大顯示在這裡，這裡面的小點放大顯示在這裡，這裡面的小點放大顯示在這裡，這裡面的小點是這個，在所有原子中都相同，這就是原子的基本單位。Okay，這是氫在氣體解析度的階段，它有錯綜複雜的圖形；這是氧看起來的樣子，它是小螺旋狀；這就是你最後得到的東西，叫做 anu。這個圖事實上剽竊自這本書，《色彩原理》，於1878年在美國出版，由 Edwin D. Babbitt 所著。這是他所畫這個東西的圖形。你瞧，這就是他們所看到的物質基本組成部份，仔細看的話很有趣。如果有興趣的話可以在網路上搜尋看看，它也有純真天使的圖片和環繞你頭部的心靈磁力曲線。 Okay，你瞧，這件事的實證是，如果你計算了不同元素中的 anu，氫中會有 18 個 anu，氧中有 290 個，氮中有 261 個。如果你用 18 來除它，你就可以得到原子量，Q.E.D.。Okay，因此，這本書中有一大堆原子的圖片－這是氦，它有 72 個 anu；這是鋰，有 127 個 anu；底下這個部份不是，這是一個模型，這是放置它的木質基座；這是鐵，有 1008 個 anu；這是氖，有 360 個 anu。現在來看氖，這是一個 4f 軌域的電子密度，由量子力學計算出來的。現在問題是，為什麼你要相信我，或相信教科書，或相信量子力學，而不相信他們？因為他們說，他們也看到它了。Okay？這需要時間來解釋。我們之前談過這個，科學信念的基礎就是證據，你必須重複驗證一個斷言，遵循邏輯和辨識力。但辨識力因經驗而成熟，一開始你不會知道要相信什麼人，或不要相信什麼人。這在政治上也是一個問題。Okay，這是鈉，有 418 個 anu。他們不僅說看到了原子，也說看到了分子。例如，這是碳酸鈉，你在這個圖上看見了什麼？兩個鈉，對不對？Okay？在後面的是碳原子。你還看到什麼？ 學生：氧。 Michael McBride 教授：啊，有三個氧螺旋纏繞在鈉和碳上。他們寫說：「請注意，這個O_3 的三角形排列，才被布拉格由他的方解石 X 光分析推論出來」。我們下次將討論布拉格及他做了些什麼。但他們有實驗證據支持他們的報告，獨立的實驗證據。這是他們的苯模型，他們是這麼說的，「每個碳的三個價鍵均被氫所填滿，第四個價鍵，有些人假定其進入分子內，確實如此」。事實上，安妮．貝贊特是第一位獲得倫敦大學化學學位的女性，但這是另一個故事了。她的老師是將《資本論》翻成英文的人，他還做了很多不道德的事。問題六和這個有關。Okay，這是苯及其共振結構，這些是最早被提出的結構，我們稍後將做談論。但有些人不喜歡這個想法，就是在兩個結構間來回轉換。他們認為，你只要將每個碳的第四個價鍵移向中間，所有原子就會滿足彼此的結構。因此，這就是他們所謂，他們的模型證實，每個碳的第四個價鍵都會移向中間。 Okay，不用說現今大多數人並不太認同超自然化學，即使你仍然可以在網上買到這本書。你們今天早上走進的這個大門，上面寫著「建立於1921年」，但這是在1923年時的同一個地方。當時大樓剛竣工，請注意，那些飾版還未鑲入，也未標明建立於1921年。此時這棟建築物尚在即將完工的階段。同時，美國化學學會在這裡舉行國家會議，以慶祝世界上最大化學學術機構的落成，Okay？因此，石板上一乾二淨。現在，如果你往下看這些人群，可以看到一些有趣的人。例如，這是路以士，拿著菲律賓雪茄，他總是拿著一根雪茄；他一天抽17支雪茄。（笑聲）呻吟吧！ Okay，但他們試圖決定，如何裝飾所有這些建築周圍的飾版，他們希望放上傑出美國化學家的名字。如果他們真的這麼做了，這幾乎將會是個災難，因為那些在當時被認為是傑出美國化學家的人，實際回想起來並不真的那麼棒。但他們選擇了一個很棒的團隊，這個主意來自於從波隆納來的Giuseppe Bruni，他來會議中演講。他說：「不要把活著的化學家放上，放上已過世的化學家」。這正是他們所做的決定。幾乎所有刻上去的都是已過世的化學家。這是一個很棒的團隊，像是我們已經熟悉的法拉第在那裡，Okay？這是位於建築物角落其中一個飾版，有凡特何夫。聽說過凡特何夫嗎？在本學期結束前你會聽到很多關於他的事，還有吉布斯？ 學生：聽過。 Michael McBride 教授：是的，吉布斯，我們也將談論到他，還有你們聽過的門得列夫。不過，我想你們不太熟悉克魯克斯。這是威廉．克魯克斯爵士，他是英國皇家學會成員，以及FTS（神智學會）成員。1861年時，他發現了鉈元素。他還發明了陰極射線管－就是他手上拿著的那個，後來成為 X 射線管，他還發明了克魯克斯輻射計。我打賭你們各位都曾看過克魯克斯輻射計，你們知道是什麼嗎？這是克魯克斯輻射計的圖片，以其旋轉多快來測量光的強度。你曾見過，在小玩具商店可買到的，這些東西放置著，並藉由光線旋轉，Okay？從1913年到1916年，他擔任英國皇家學會主席。回想一下，波以耳也同樣是會員－還記得他嗎？－還有虎克和其他人。1898年時，他是英國科學促進協會主席。同樣這一年，他也是心靈研究會主席，而FTS是指神智學會成員。在他的英國科學促進協會主席演講中，他說的其中一件事是，「心靈感應研究尚未得到大部分科學界弟兄們的支援」，但他是提供樣本供李德彼特和貝贊特觀察的人。他提供他們鋰、鉻、硒、鈦、釩、硼和鈹等樣本，以使他們畫出由其透視眼所看到的圖片。如果你想瞭解，可以在網站上讀到更多關於他的事蹟。他是一位有趣的人物。有很多－有很多相當認真的科學家，奧利弗．羅奇是其中之一。他發明了無線電，是布里斯托物理系的領導人（事實上是利物浦和伯明罕），他熱衷於與死者溝通之類的事。因此在一開始這並不明確，你該相信誰或不該相信誰。 不過，先回到這一點，暫時不考慮關於透視眼的事，那事我不信。問題是分子對於牛頓所謂的「凡人之眼」來說，真的是難以觀察到的微小嗎？我們真的無法看見和測量如此微小的東西嗎？考慮水的情形，一立方釐米的水是 1/18 莫耳，因為其分子量為 18，這意味著它有10^23 個分子的 6/18 倍的分子數。在 1 CC 的水中。這是一個非常，非常大的數字，聽起來它們必定是難以想像的小，試著看到這樣的東西是不可能的。但其差異在於立方和立方根。因為當我們測量距離時，是測量直線不是體積。因此，當你得到關於距離的資料時，所得到的是體積的立方根。因此，如果我們將其做立方根，約是 10 ^ 7 的三倍。現在它仍然是一個非常大的數字，30,000,000，對嗎？但它並非難以想像的小。這是關於 － 三埃是它的大小，即水分子的大小。請記住，我們將討論很多碳鍵相關問題－，碳－碳間鍵長約為 1.5 埃。 Okay？現在想想 10 ^ 5。這間演講廳約為十米寬，我一根頭髮的直徑是 100 微米的數量級，兩者之比例為 10 ^ 5，對嗎？因此，將我的頭髮10 ^ 5 根並排，將橫越這個房間。這是很大的數目，對嗎？但這並非不可能的想法，就是將頭髮排列橫越房間，或將它們並排。這會花上一段時間，但並非不可能的想法。將頭髮與這房間相比較，對嗎？但一個分子約為一奈米，一個小原子約 1 / 10 奈米，或埃，對嗎？其比例為 10 ^ 5。因此，這房間相較於我的頭髮，就像我的頭髮相較於分子甚至是原子，一個大原子。因此，它不是難以想像的小，它只是非常非常小。事實上，原子核是 10 費米，這是再少 10 ^ 5 個數量級。因此這意味著，如果演講廳是一個原子，原子核將相當於頭髮的直徑。非常小，但並非難以想像的小，Okay？ 牛頓在我們之前提到過的《光學》這本書中，於 1717 年時在第 369 頁所寫：「一塊非常黑的板，厚度是百萬分之一英寸的 3/8」。「是」－這意味著他知道它的大小。百萬分之一英寸的 3/8 是多大？1,000,000 是指一百萬，百萬分之一英寸的3/8是 30 個水分子大小。因此在 1717 年時，牛頓能測量某種東西，其大小相當於 30 個水分子。在 1717 年時牛頓可能有什麼樣的工具，使他能測量這麼小的東西？什麼？ 學生：玻璃環。 Michael McBride 教授：我聽不太清楚。 學生：玻璃環。 Michael McBride 教授：玻璃彈簧？ 學生：環，像是你－ Michael McBride 教授：沒錯。Okay，就是這個，牛頓環；這事實上應該被稱為虎克環，因為他是在《微物圖解》一書中，發表其如何運作的人。但請記住，他們有不同的光理論。這裡有兩片玻璃，兩塊玻璃片，我會改變光線，因此我們能看到光線透過它們。現在我不記得哪片是哪片，但我猜一下。如果我將這片放上去，把它翻轉－okay，噢，我看到了，是的，你可以看到，看到這些圖形嗎？你用顯微鏡玻片時見過像這樣的圖形，這樣的顏色，Okay？因此，這是兩個平面相互緊貼，彼此非常靠近。但如果我把上面那片翻轉，你會看到它有點－讓我－ 這是我們剛才看到的；但請注意，如果我把它翻轉，它會有點－在邊緣產生一點空氣間隙，因為上面那片稍有些曲面。讓我看看是否能看見什麼？我還沒有看到，讓我放大一些，我們需要調一下焦距。啊，看那個，看到了嗎？ （技術調整） 那裡。Okay，這就是你看到的，中間的就是所謂的牛頓環，看起像那樣。不同的顏色，對不對？牛頓能夠測量造成不同顏色的空氣間隙厚度，顏色在更高層次會不斷重複，Okay？他如何知道距離？他能將每種顏色與距離對應，他如何知道距離？因為他可以測量環的直徑，他這樣說：「觀察六：第六個環的直徑」（是吧？一，二，三，四，五，六）「軌道最清晰的部分是一英寸的 58/100；這個雙凸物鏡球體的直徑約 102 英呎；因此，我收集這個環玻璃片的空氣間隙或間隔厚度」。換句話說，這就是他所嘗試測量的；就是向外數第六個環的空氣間隙。他知道這個環的直徑；他知道兩片玻璃中心相疊；他知道這是一個半徑為51英呎的球體。因此他可以使用三角學計算出空氣間隙，如果他知道那裡的角度，空氣間隙即為 1.8 微米，對不對？所以，這比原子大的多了。但如果你前進到第一個環，或更接近些，那麼你就可以測量它，對嗎？因此，他所需的是一個球面玻璃，有非常大的半徑，使他可用以測量距離。Okay，但這裡有一個可用於更小距離，更簡單的測量方法。大約 100 年後，這就是完成它的人，你們知道他是誰嗎？ （學生此起彼落發言） Michael McBride 教授：沒錯，是班傑明‧佛蘭克林，我們稍後會回頭來談這位藝術家。他於1774年發表在《英國皇家學會會報》上，這個學會現在已有110 年、114年歷史了。這篇文獻是〈藉著油使波浪平息〉，你明白這意味著什麼嗎？這與什麼諺語有關？ 學生：分離？ Michael McBride 教授：向有波浪的水面倒油（諺語：平息風波，息事寧人），你們聽說過嗎？〈藉著油使波浪平息〉，摘自佛蘭克林和Brownrigg往來的雜信。他於1773年寫信給Brownrigg：「我曾經在青年時期，微笑著閱讀蒲林尼的書，思考著當時海員的慣例：要使暴風中的波浪平息，就得倒油入海，就像潛水夫使用油的做法…」。潛水采珠者將口中含滿油，當他們潛入水中時，如果一陣微風吹起，擾動了水面，這使他們很難看清；因為光線無法清晰的通過水面。他們會從嘴中吐出油，油就會浮上水面，將漣漪平息，他們就可以看清並採到珍珠。這是蒲林尼說的，對嗎？但他說他微笑著想，這是多古怪的事情。這就像是超自然派化學家。 「我認為，最近有太多的模式，多少有點向古人學習；這些學問，也有點傾向於太多通俗的知識。1757年，96艘船組成的海上艦隊，前往爭奪路易斯堡（以使其脫離布雷頓角島）。我觀察到其中兩艘船的航跡非常平滑，其餘的全都因剛吹起的風而擾動。因其所顯現不同的現象而困惑，我終於向船長指出這一點，並問他這意味著什麼。『廚師』，他說，『我想他們剛剛將油膩的水由排水孔排空，這使得這些船的旁邊沾了些油』」（所以有實驗證明蒲林尼所說的）「回想起我之前在蒲林尼書中所讀到的，我決定做一些油在水中效應的實驗，當我有機會時」。 當他有機會時人在倫敦，這是倫敦，他1762年所做的實驗是在這個地方，倫敦南部的克拉彭廣場。 他說：「最後在克拉彭，在廣場上的一個大池塘，我觀察的那天有非常猛烈的風；我拿出一瓶油，並倒了一點在水上。我看到它以驚人的速度在水面擴散，但使波浪平息的效應卻並未發生」（因此，這個實驗失敗了）「因為我先在池塘背風面實驗，在那裡波浪最大，風將我的油吹回岸邊」。 因此，它沒有在水面擴散開來，所以，他怎麼做呢？ 學生：到另一側去。 Michael McBride 教授：到另一側去，對不對？「於是，我到迎風面去，那裡的波浪開始形成，我倒入油，雖然不超過一茶匙，卻使波浪瞬間平息，在超過幾碼平方的空間中，它令人驚訝的逐漸擴散和延伸，直到抵達背風面，使整個池塘的四分之一，也許有半英畝，平滑得像一面鏡子」。一茶匙為 5 立方釐米，能平息半英畝，即 2000 平方公尺的水面；這意味著油層的厚度能夠擴散這麼多立方釐米，到超過 2000 平方公尺，相當於25埃；這是油中一個脂肪分子的長度。因此，佛蘭克林事實上測量到了一個油分子的長度，以這種方式。但他不認為他已測量到，且並沒有聲稱他已測量到了。他說：「當將油放入水時，其瞬間擴散到數英呎範圍，已變得非常薄，足以產生棱鏡的顏色」（牛頓環的顏色，對嗎？）「在相當大的空間中，及大於此範圍時，它們會變得太薄」（它變得太薄，使你甚至無法看到牛頓的顏色，對嗎？）「變得太薄而無法觀察，除非用它使距離遠得多的波浪平息，所產生的效應來看」（因此，使水面平息的技術，讓你能測量該區域有多大，是不是很酷？）「這好像粒子彼此間的斥力，一碰到水就瞬間產生」，也就是說，它們推開其他分子並移動。他不知道的是，分子彼此互相推開，但仍保持彼此接觸，在水面上形成單一分子厚度的油層。雖然他並沒有聲稱已測量到，但事實上他確實測量到了一個油分子的大小。因此，分子是非常、非常、非常的小，但並非難以想像的小，也有可以測量它們的方法。 我們來看這個問題，電子對是否存在？讓我們先試著用掃描式探針顯微鏡，即SPM感覺一下。我們能感覺到個別分子嗎？我們能感覺到個別原子嗎？我們可以藉由感覺來瞭解鍵是什麼嗎？掃描式穿隧顯微鏡，於1981年由蘇黎世的賓尼(Gerd Binning)和羅雷爾(Heinrich Rohrer)所發明。這是第一份發表這個發現的刊物。他們在 IBM 工作，首次發表在關於這個新技術會議的期刊封面，即掃描式穿隧顯微鏡。他們在五年內就獲得了諾貝爾獎，也許更短；在極短的時間內，於1986年。關於掃描式穿隧顯微鏡如何－它是SPM（掃描式探針顯微鏡）的一種；掃描式穿隧顯微鏡是其中一種方法。我很快就會談到這個，但我要先談原子力顯微鏡。學習這個需要一些晶片，我會拿給你們看。晶片在這裡，在這個小盒中。啊，你們看不到它，中央有晶片，對不對？我會傳下去，你們可以看看。如果你將它傾斜，來自天花板的光線被金反射，你可以看到它確實很閃亮。你們或許能看到在薄片底部的小 V 形，在底部你可以看到小 V 形。這個晶片是 1.4 毫米寬，是一個鍍金矽晶片。如果你用更高倍率看，可以看到這個。這是一根頭髮的大小，你可以確實看到－看得到嗎？它們不容易看到，也許你看得到，也許不，但它們確實存在。 Okay，這是一根頭髮的大小。在任何特定實驗中，你可選擇五種不同的懸臂，這是它們的名稱，你可以使用它。這裡有一個更高解析度的電子顯微相片，顯示了這些 V 形的探針。你可以看到一個小隆起在這裡，就在底部，如果將它放大，你可以看到這個；這是一個小錐體。因此，在錐體底部探針的曲率半徑只有約 20 奈米－大約是 20 個分子的大小，對嗎？它是在探針上的球狀物，不是一個真正的尖端，並不確實指向某一點，是有點圓球狀的；你可以買到約為其曲率半徑三分之一大小的產品。Okay，再來看這片玻璃。當你們進來時，我說，「不要觸摸」，因為這片玻璃價值 2000 美元。Okay，就是這片玻璃，如果我把它立在這裡，玻璃底部有個小晶片。我知道我要看什麼，我不知道你們是否能看到？總之，它支撐住這片玻璃，而這些小探針指向上，但事實上使用時是上下顛倒的，因此它們是指向下的。這是它裝置在儀器上的情形，你可以看到有一個紅燈在玻璃片中發光，原因是它被輻射－所以這是其中一個探針的放大圖片，指向下方。雷射光入射，並被這個探針上閃亮的金反射，再被反射到一個偵測器上。如果你將探針往上推，會發生什麼情況？它將使反射線偏離，對不對？會變成這樣，有一個偵測器可以非常精確的偵測雷射光位置，就是你看到那個發光的地方。所以，你可以分辨出探針上下移動的偏離，至不到1個原子大小的距離。是不是很巧妙？ 所以，你所要做的就是，將其在樣本上來回移動，藉由光的反射，觀察小探針上升和下降。所以，如果你有，如果表面是像這樣，它們就這樣，點、點、點、點、點、點，往上、往上、往上，然後整個掃描過去。它是很敏銳的。正如我所說，可測量不到一個分子高度的變化；雖然它無法感應到單一分子。請記住，因為那個探針是 20 奈米寬。因此，探針寬度約相當於 100 個左右的原子，對嗎？因此，它在任一時間將接觸到一堆原子。但如果是在一個突出的部份，不像玻璃表面，它會到達某個特定高度，接觸到一堆原子，然後它會逐步上升，並接觸到更多原子，你就可以分辨出它是否上升和下降，如果距離只有一個分子的話；這很容易。 這是一位大學部學生所拍的相片；事實上，它是一部電影，是AFM（原子力顯微鏡）的軌跡圖。你所做的，就像是電視一樣，你將它快速掃描、快速掃描、快速掃描、快速掃描、快速掃描、快速掃描、快速掃描、快速掃描，然後回到頂端，快速掃描、快速掃描、快速掃描、快速掃描、快速掃描，記錄沿著掃描軌跡每一點的高度，並以顏色標度顯示其高度。因此，這個寬度約相當於 600 個分子，對不對？你所看到的這些線，是上下移動的突起，每一個突起是一個單位晶胞，高度是1.7奈米，即一組分子大小。因此，這些是－那個，在表面頂端處是平坦的，完全平坦，除了那裡的小洞。這些洞是用探針按壓並稍微刮一下，以敲掉一些分子。較大的坑洞是 5 奈米深，這意味著那裡有四層分子被敲掉。這是在水中，或說是含丙醇的水中，因此晶體緩慢溶解。當分子離開時，那些坑洞擴大。你們瞧，是吧？這是以一分鐘間隔所拍攝的，因此，我們事實上可感覺到個別分子的高度，以這種方式。 這裡有一點很有趣，我不打算詳述，但最小的坑洞並沒有失去任何分子。我倒轉回來，看看最小的一個坑洞。它總是保持同樣大小，當其他坑洞溶解時，這是個有趣的謎，不是嗎？總之，你可以試試看。你可以測量不同突起溶解的速度，有些溶解速度遠遠超過其他突起。這是掃描式穿隧顯微鏡，這是以不同方式進行的。這不是－你不需反射雷射光，你要做的就是偵測穿過一個表層的導電率。如果有一個原子，它是很好的導電體，你可以使多一些或少一些電流通過等等。因此，當你掃描一個確實－這確實有相當尖銳的探針，其針尖大小僅相當於一個或一對原子，所以當掃描過時，可以橫向感覺到小得多的物體，Okay？看這張圖片，在那兒的物體，你看到的是一個重複圖形，這是其中一個分子；有12個碳，尾端有1個溴。這是一個模型，顯示分子的模樣；黃色的是溴，棕色的是兩個氧，綠色的是碳，灰色的是氫。它們不真是這樣的顏色，它們看起來像這樣，這與導電性有關。但你可以看到個別原子，對嗎？或早期一個令人印象深刻的的例子，這是1993年在加州艾瑪登的 IBM 實驗室中所做的。他們在銅表面操作鐵原子，利用這個探針，改變電壓，拿起原子，並移動至他們想放置的地方；然後改變電壓，將它們放置到那裡；然後返回，拿起另一個原子繼續操作。他們將這個稱之為量子圍欄之類的，使用了約 58 個鐵原子，請說？ 學生：他們也用相似的方法移動原子－ Michael McBride 教授：請再說一次？ 學生：他們也用相似的方法，移動原子來拼出IBM嗎？ Michael McBride 教授：噢，是的，他們也拼出了IBM。他們也知道自己的利益在哪一方，正如英國皇家學會所做的一樣。Okay，這很巧妙，所以你可以清楚地看到、或感覺到個別原子，但你看不到鍵。鍵是更小的，它看起來就像是一堆球，對嗎？你看不到它們之間的電子對。 這是 SNOM。SNOM 是指掃描式近場光學顯微鏡，這在某種意義上來說是觀看，但實際上它是用掃描的，就像是感覺一樣。這是玻璃纖維，一路延伸成為一個非常尖銳的尖端，並鍍上鋁，底部的孔徑只有 100 奈米，相當於 100 個分子大小；並不像掃描式穿隧顯微鏡那麼微小。你所要做就是，將一些樣本放上載玻片，就是你要用探針所偵測的物質。將光射入樣本，如果有分子存在，光會被放射出來，通過這個小孔。如果有一個分子在那裡，它會吸收藍光，並放射出紅光；你就知道它何時在探針之下。假設整個載玻片上只有一個分子，你掃描它直到紅光突然出現，你就知道探針指向了這個特定分子，Okay？所以當紅光出現時，有個偵測器可以偵測到它。你來回掃描樣本，就像電視一樣，你就會發現這個分子在哪。這是以這種方式拍攝的相片，這是一個微米的標度，2 × 2 微米。事實上，我們看到的是一個失真的標度，Okay？這個箭頭，這個雙頭箭頭代表紅光的波長，所以你可以看到明顯小於光波長的物體；以這種方式可以做到，你不是真的用眼睛看到的，而是使用了掃描技巧。 Okay，掃描式探針顯微鏡，例如原子力顯微鏡、掃描式穿隧顯微鏡、及掃描式近場光學顯微鏡，功能確實很強大，使你可以看到個別原子，對嗎？銳利的尖端可以解析個別分子，甚至原子，但無法解析鍵。因此，它們無法達成我們所需的目標。 這就是－我要花最後幾分鐘時間，復習一下我們所探索的問題。還記得你們應該畫出所有H,C,O,N異構物的共振結構嗎？我想你們記得。Okay，讓我們來看看，所以我們將要做的是，比較我們用路以士理論所畫出的東西，和經由良好的量子力學合理計算所得出的東西；不是最高階的，但具有相當水準的。Okay，我們要設法畫出所有可能的排列；我們可以將三個原子，O, C, N，其中任一個置於中央，然後我們可以將氫放在其中任何一端。所以，我們將氮放在中間，然後再將氧放在中間，我們就可以畫出所有可能排列。因此，有兩種可能性。我們必須決定，這些是良好的結構嗎？Okay，可以將電子移到這裡，並畫出不同的路以士結構。你認為這兩個哪一個比較好呢？ 學生：可能是頂端的那個。 Michael McBride 教授：為什麼？ （學生此起彼落發言） Michael McBride 教授：Okay，底下那個有電荷分離，Okay？這是糟的電荷分離。最具陰電性的原子氧，事實上卻帶正電荷，而不是負電荷，對嗎？所以這－不僅存在有電荷分離，電荷還在錯誤的方向。但我們畫的兩個結構都滿足八隅體，所有的原子都滿足八隅體。讓我們在這裡嘗試用同樣的方法；我們可以畫成這樣。這樣如何呢？哪一個比較好？我們可以檢查這兩種結構，並數數看，得知它們都滿足八隅體。你們要我示範一下嗎？還是現在你們對這個已經駕輕就熟了？有人要我數數看嗎？Okay，你們已經瞭解了，但你們認為這兩種結構哪一個比較好？ （學生此起彼落發言） Michael McBride 教授：你說頂端那個比較好？你說，因為它沒有電荷分離。現在，與左邊的例子相比較，你認為哪一個－如果必須有電荷分離，哪一個比較好？ 學生：右邊的。 Michael McBride 教授：右邊的那個，因為至少電荷在正確的原子上；氧是帶負電荷的。你們也可能畫出了頂端那個圖，對不對？這是另一種方式。請注意，我曾介紹過一些觀念，但還沒有說明完全，就是彎曲箭頭的觀念。彎曲箭頭表示電子，電子對的轉移。如果你只想表示一個電子的轉移，該怎麼畫呢？如果你必須想出一個符號？ 學生：虛線曲線。 Michael McBride 教授：虛線曲線是一種可能，另一種可能？Sophie? 學生：半個箭頭而不是完整的箭頭。 Michael McBride 教授：啊，像魚鉤一樣，而不是雙箭頭；這就是事實上所使用的。如果你想只轉移一個電子，就畫單一的鉤；如果你想轉移一對電子，就畫雙鉤；就是一個彎曲的箭頭。因此，彎曲箭頭不是顯示原子的移動，它們不會顯示原子移到那裡，它們顯示一對電子的移動，或有時是單一電子的移動。你可以使用雙鉤或單鉤來顯示是哪一種情形。Okay，徹底把這些弄清楚，因為這往往會是個問題。Okay，最頂端的結構比底部那個糟得多。Okay，這是 C 在中間的可能結構。 如果把 N 放在中間又如何呢？這是兩種滿足八隅體的結構，現在－哦，抱歉，它們不全是八隅體，右邊的那個是六隅體，因為碳形成兩個鍵；因此有 3 個電子，在這兩個鍵之外－抱歉，有 2 個電子在這兩個鍵之外，一個鍵貢獻一個電子。由標記觀點來看，這是共用電子對，加上一個未共用電子對，對嗎？這是唯一 － 與其相關的是它只有 3 個… 抱歉，我這裡說錯了。它本身擁有4個電子，這是由標記觀點來看的；每個鍵貢獻一個，2 個在未共用電子對中；因此，它不帶電荷。它原先有 4 個電子，之後又得到 4 個電子，但只以 3 對電子參與結構，所以它是一個六隅體，所以，右邊這個結構不是很好；左邊這個也不是很好，因為它有電荷分離，至少負電荷是在氧上。我們可以畫出另一種結構，使負電荷在碳上。這個，我們會說，不太好，對嗎？所以這是糟的電荷分佈。或者我們可以畫成這樣，這看起來大概是最好的電荷分佈了；把正電荷放在碳上比放在氮上好。Okay，但這個碳是一個六隅體，其餘的都是八隅體。Okay，我們可以再畫出另一種結構，現在我們使碳滿足八隅體了；但卻使得負電荷在碳上，這樣的電荷分離並不是很好。或者我們可以這樣畫。但再次的，有糟的電荷分佈。Okay，如果我們將 O 放在中間，可以畫出這些結構，你們注意到，這兩種都－什麼地方是糟的？ （學生此起彼落發言） Michael McBride 教授：這是六隅體，右邊的也是六隅體，氧上有正電荷；這不是很好。你可以畫彎曲箭頭，將電子四處移動看看。現在，碳是八隅體，但氮變成六隅體，而且有糟的電荷分佈，負電荷在碳上，不太好。你也可以畫成這樣的結構；又是六隅體，糟的電荷分佈。或者你可以使這三個重原子排列成環狀，然後你可將氫放在任一－外接在任一原子上。左邊那個結構，以我的電腦無法計算出來，我找不到任何最低能量結構是像這樣的，因此這個結構非常糟；這並不令人吃驚。它鍵的角度很糟，雖然我們還沒有確實提到哪一種角度比較好；而且它有糟的電荷分離，Okay？那是個糟的電荷分佈。我們還可以畫出另一種結構，但仍是正電荷在氧上，也是個六隅體。我們得到什麼？碳是六隅體。Okay，這是我們剛剛審視過的一些異構物。 數年前，當我第一次在課堂上談到這些，當這些結構被確實計算…或是說人們盡可能準確的計算，計算其真實的能量和結構－我測試過系上的同事，問他們是否能將這些結構排名，哪個是最低，哪個是最高能量等等，但沒有人成功。事實上，只有少數人得出－知道哪個具有最低能量，基於他們所熟悉路以士理論。因此，重點是，不要沮喪，當你試著做這個時。這需要很多的知識傳授，即使用上多年來所收集的所有知識，人們依然無法使用路以士理論達到這個目的，因為它並沒有這麼完美。Okay，事實上，我將它們畫在這裡的方式，是根據它們的能量，根據這些相當不錯的計算得知，最低的能量是，C 在中間，H 在氮上；然後是 C 在中間，H 在氧上。你們可以回去想看看，關於我們所說的這些，是好的還是糟的知識，並說服自己，「啊！現在你明白為什麼那些是在底部，而這些是在頂端」。但如果它的結果不同，你就得用不同的方法說服自己，Okay？今天說到這裡就夠了。事實上，如果你想看的話，有一份參考文獻，這些結構的能量被刊登在2004年的《化學物理期刊》上。 2008年9月10日