How big is 電子顯微鏡可視極限?

電子顯微鏡利用電子束而非光線成像，能顯示出單一原子。截至2026年，最先進的電子顯微鏡能分辨出相距約20皮米的細節，大約是氫原子寬度的五分之一。一皮米是一公尺的兆分之一。

大小

這個數字是解析度，不是物體的大小。顯微鏡的解析度，是指兩個點仍能被看成兩個分開的點、而不是模糊成一團時，兩點之間的最小距離。電子顯微鏡能顯示的最小物體是單一原子，而目前最先進的儀器，已能分辨出比一個原子寬度還小的細節間距。

用來聚焦電子束的磁透鏡曾因缺陷，讓最清晰的影像解析度只能達到約100皮米。透鏡校正器改變了這個情況。2008年，勞倫斯柏克萊國家實驗室發表了TEAM 0.5顯微鏡，設計目標是達到半埃、即50皮米的解析度。該團隊後來報告，成功分辨出相距47皮米的成對鍺原子。

一種名為電子疊層成像術的電腦運算方法，隨後將紀錄進一步推進。康乃爾大學的團隊在2018年達到39皮米，並於2021年達到約20皮米。2024年，中國清華大學的團隊以另一種解析度量測方式，報告出14皮米的細節。確切的紀錄，取決於解析度的量測方式。

大小比較

• 氫原子的寬度約為0.1奈米，大約是這些顯微鏡能分辨出的最細細節的五倍寬。
• 如果把氫原子放大到籃球的大小，也就是直徑約24公分，這台顯微鏡能分辨出的細節間距約為4.5公分。
• 一般光學顯微鏡無法分辨比約0.2微米更接近的細節，這是最先進電子顯微鏡分辨距離的1萬倍。一微米是一公尺的百萬分之一。
• 20皮米等於0.2埃。原子間的化學鍵長度通常為1至2埃，是這個最細解析距離的5到10倍。
• 大約400萬到500萬個這樣的最細細節並排排列，寬度就相當於一根人類頭髮的寬度。

為什麼電子能顯示比光更細微的細節

傳統顯微鏡無法分辨遠小於其所用觀察媒介波長的細節。波長是指一個波峰到下一個波峰之間的距離。對一般光學顯微鏡而言，這個極限約為0.2微米，這是顯微鏡學家恩斯特·阿貝在1873年推算出來的。

電子也具有波動性，且波長遠比光短。許多這類顯微鏡所使用的高速電子，波長約為2皮米。理論上，這能讓顯微鏡分辨出遠比光學顯微鏡更細微的細節。但實際上，透鏡的缺陷讓電子顯微鏡長期無法達到這個極限，直到校正器與電腦運算方法問世，才逐漸縮小了這個差距。

最新影像的成像方式

電子疊層成像術並不只依賴透鏡。顯微鏡讓電子束以重疊的方式掃過樣本的各個位置，並記錄每個位置上電子的散射情形。接著電腦演算法會推算出，什麼形狀的樣本才會產生這些散射圖案，再據此重建出影像。

康乃爾大學在2021年拍攝的影像，將一顆晶體放大了1億倍。在這種解析度下，殘留的模糊主要來自原子本身，因為原子會因熱而不斷晃動。該團隊的負責人大衛·穆勒表示，這實際上已經是解析度的極限。

參考資料

• Highest Resolution Microscope. Guinness World Records, 2021.
• Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations. Chen et al., Science, 2021.
• Cornell Researchers See Atoms at Record Resolution. Cornell Chronicle, 2021.
• Electron Microscope Detector Achieves Record Resolution. Cornell University College of Arts and Sciences, 2018.
• Imaging Thick Objects with Deep-Subangstrom Resolution and Deep-Subpicometer Precision. Yang et al., Science Advances, 2026.
• Local-Orbital Ptychography for Ultrahigh-Resolution Imaging. Yang et al., Nature Nanotechnology, 2024.
• Electron Microscope Attains 50-Picometer Resolution. Physics Today, 2009.
• Debut of TEAM 0.5, the World's Best Microscope. Lawrence Berkeley National Laboratory, 2008.
• The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press Release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• Bohr Radius. NIST, CODATA 2022.
• Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.