How big is 电子显微镜可视极限?

电子显微镜利用电子束而不是光来成像，能够显示单个原子。截至 2026 年，最好的电子显微镜能分辨出相距约 20 皮米的细节，约为氢原子宽度的五分之一。皮米是一米的万亿分之一。

大小

这个数字指的是分辨率，不是某个物体的大小。显微镜的分辨率，是指两个点仍能被看作两个独立的点、而不是模糊成一团时，二者之间的最小距离。电子显微镜能显示的最小物体是单个原子，如今最好的仪器已经能分辨出比一个原子的宽度还要小的细节。

用于聚焦电子束的磁透镜存在缺陷，这曾使最清晰的图像也只能达到约 100 皮米的分辨率。像差校正装置改变了这一局面。2008 年，劳伦斯伯克利国家实验室推出了 TEAM 0.5 显微镜，设计目标是达到半埃（即 50 皮米）的分辨率。该团队后来报告，他们已能分辨出相距 47 皮米的锗原子对。

此后，一种名为电子叠层衍射成像的计算机技术进一步刷新了纪录。康奈尔大学的一个团队在 2018 年达到了 39 皮米，2021 年又达到约 20 皮米。2024 年，中国清华大学的一个团队采用另一种分辨率衡量方式，报告称分辨出了低至 14 皮米的细节。具体纪录取决于分辨率的衡量方式。

大小比较

• 氢原子直径约为 0.1 纳米，其宽度约为这类显微镜所能分辨的最细结构的五倍。
• 如果把氢原子放大到一个篮球那么大（直径约 24 厘米），这台显微镜就能分辨出相距约 4.5 厘米的细节。
• 普通光学显微镜无法分辨相距小于约 0.2 微米的细节，这是最好的电子显微镜分辨能力的 1 万倍。微米是一米的百万分之一。
• 20 皮米等于 0.2 埃。原子间的化学键长度通常为 1–2 埃，是这一最细分辨尺度的 5–10 倍。
• 大约 400 万–500 万个这样的最细结构，并排起来相当于一根头发的宽度。

为什么电子能分辨出比光更精细的细节

传统显微镜无法分辨比其观测媒介波长小得多的细节。波长是指波峰与波峰之间的距离。对普通光学显微镜而言，这一极限约为 0.2 微米，这是显微技术学家恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）在 1873 年得出的结论。

电子也具有波动性，其波长比光短得多。许多此类显微镜所用的高速电子，波长约为 2 皮米。理论上，这能让显微镜分辨出远比光学显微镜精细得多的细节。但实际上，透镜缺陷曾使电子显微镜远未达到这一极限，此后像差校正装置和计算机技术逐步缩小了这一差距。

最新图像是如何得到的

电子叠层衍射成像并不完全依赖透镜。显微镜将电子束在样品上以相互重叠的光斑逐点扫描，并记录每一点上电子的散射方式。随后，计算机算法推算出能产生这些散射图案的样品形状，并据此重建出图像。

康奈尔大学在 2021 年拍摄的图像，将一块晶体放大了 1 亿倍。在这一分辨率下，剩下的主要模糊来自原子本身——它们由于热运动而持续晃动。研究团队负责人戴维·穆勒（David Muller）称，这实际上就是分辨率的极限。

参考资料

• 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.