化学教科书通常包含原子的插图，但带有保留条件。这些图画描绘了原子核，周围环绕着电子轨道——模糊的球体、哑铃、三脚架等等——但这些图形代表的是在原子核周围特定位置找到电子的概率，而不是实际的“形状”。研究人员现在已经成功地对电子轨道进行了成像，并首次表明，在某种意义上，原子确实看起来像教科书上的图像。
具体而言，乌克兰哈尔科夫物理技术研究所的伊戈尔·米哈伊洛夫斯基及其合作者通过改进一种称为场发射显微镜的旧成像技术，对碳原子中这些轨道的形状进行了成像。
研究人员制作了一条碳原子链，将其悬挂在石墨尖端，然后将其放置在探测屏前。当他们在石墨和屏幕之间施加数千伏的电场时，电子逐个地通过石墨并沿着碳链流动，直到电场将它们从链中的最后一个原子上拉下来。从电子落在屏幕上的位置，研究人员可以追溯到它们离开最后一个原子上的轨道的点。“概率云的‘密度’部分更有可能发射电子，来自许多电子的信息结合在一起形成云的图像。“我们真的得到了单个原子的图像，”米哈伊洛夫斯基说。
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这些图片看起来，嗯，就像教科书一样，尽管只显示了最外层的轨道，这遮蔽了内部轨道和原子核。通过改变电流强度，该团队可以将最后一个原子最外层电子的能量从较低的能级切换到较高的能级。相应地，轨道的形状从球形变为哑铃形，正如理论预测的那样。该小组还观察到电子自发地从一种状态切换到另一种状态——原因尚不清楚，米哈伊洛夫斯基说——以及可能由杂质（以其他原子（如氢）的形式存在）引起的更奇怪的形状。结果发表在十月份的《物理评论 B》上。
科学家以前曾使用工具（如透射电子显微镜（将电子射穿物体并测量它们如何偏转）或扫描隧道显微镜（用微小的尖端“感觉”样品的形状））对单个原子进行成像。
但原子通常看起来只不过是小斑点。另一方面，场发射显微镜将电子从正在成像的物体上拉下来。加州大学伯克利分校的亚历克斯·泽特尔说，这种差异可能意味着降低了信号失真和误解的机会。“这就像直接从原始讲述者那里听到口语，而不是从翻译或口译员那里听到，”他说。
除了证实教科书上的艺术作品外，这项技术还可以阐明碳原子链的特性，这些特性在很大程度上仍然未知。物理学家怀疑它们可能是优良的导体，机械强度高，并可能在未来的原子尺度计算机中变得有用。