【量子11】用電子「睇嘢」：從手電筒到電子顯微鏡的量子放大鏡

想像你用手電筒照一件擺設，光打到物件表面，反射入你眼睛，你就看見它。電子顯微鏡的想法其實很相似——只是把「光」換成「電子」。我們不再靠眼球，而是用機器去收集被「電子光」照過之後的訊號，將那些訊號轉成圖像，像是為人類感官加了一件量子級數的「外掛」。這一換，讓我們看得比可見光所能提供的極限更細緻，走進原子與分子的世界。

光看不清，為何要用「電子」？

可見光的波長大約是數百奈米，這決定了光學顯微鏡的解析度上限——波長越長，細節越難分開，就像用粗畫筆勾線，細位永遠糊。有人會問：那用更短波長的X光呢？確實更清，但代價也大：X光夠猛，容易破壞樣本。電子提供一條較折衷的路：它們可以像波一樣「短」，看得細；同時因為是帶電的小粒子，能量調得合適時，對樣本的破壞相對較小。

電子也有波：De Broglie 波長

量子世界有個關鍵觀念：粒子也可以表現得像波。描述這種波動性的長度，叫 De Broglie 波長，簡單寫成 λ = h/(m v)。h 是普朗克常數（約 6.626×10^-34），m 是電子質量（約 9.11×10^-31 公斤），v 是速度。重點是：電子飛得越快，分母越大，λ 越小——「波」越幼，看到的細節就越清。反過來，想看比較粗疏的結構，降低電子能量就行，像把粗筆換回來，既夠用又不會過度刺激樣本。

電子顯微鏡點樣成像？

做法其實直觀：發出一束電子，打到樣本上。電子遇到樣本的原子和電子雲，有的被彈走，有的被吸引偏轉，有的透過薄區域。儀器不是用肉眼，而是用「電眼」——各種探測器與螢幕——去收集這些電子最後去了哪裡、多少、角度如何。把這些分佈資料轉成影像，就得到一張黑白的微觀地圖。簡單講：光學顯微鏡看反射光；電子顯微鏡看被樣本「改變了路線」的電子。

解讀黑白：為何有深有淺？

影像的光暗，反映樣本如何對電子作出反應。外圍電子帶負電，入射電子亦負電，彼此排斥，於是某些區域會把電子大幅反彈，顯得較亮或較暗（視乎模式和探測設計）。若某些位置電荷分佈令電子較易穿過或被吸引偏轉，對應的亮度又會不同。結果就是：分子裡有些位置「嘈嘈閉」地趕走電子，有些位置就像小磁石把電子拉近，畫出一幅光暗起伏的結構圖。你甚至能從這些對比，猜到哪裡原子密一點、電荷較強、或表面起伏如何。

能量、清晰度與代價

想看清一點，把電子加速，De Broglie 波長變短，解析度提升，這是常用手段。不過，探針愈強，代價愈高：電子太猛，會把樣本上的電子打走，令原子被離子化，破壞原本狀態。這點比起X光已經溫和，但仍然存在。你可能會發現，能量一加過頭，影像反而「走樣」，不是儀器壞，而是你已經把樣本改變了。這其實就是量子測量的一個縮影：觀察本身會影響被觀察者，想知道得更準，就要承受更大的擾動，這可說是「測不準」精神的一種日常版體驗。

量子世界不是「直線圖」

有人問：為何看不到課本那種「畫得很直、很硬淨」的蜂窩結構？因為在原子尺度，電子不是在一條固定的小路上行走，而是以機率雲的方式存在。影像自然帶點糢糊與厚度，像一團團雲重疊。這並非失敗，反而是量子世界的真樣——當你看到的雲狀分佈與理論預測相近，其實已很成功。

用在日常科技：從晶片到品質檢測

今日的晶片線寬只有幾奈米，很多結構薄得只得幾個原子。要檢查電晶體有沒有短路、金屬線有沒有斷、介電層有沒有厚薄不均，光學顯微鏡幫不了忙。電子顯微鏡正是產線與研發的「放大鏡」，由製程開發、失效分析，到品質檢測都離不開它。沒有這雙「電子之眼」，我們根本無法確定納米級的接點是否接好，亦難以把良率拉上去。

更進一步：當「穿隧」變成工具

除了把電子當成照明子彈，還可利用更奇妙的量子效應——穿隧——去看更小的東西。當金屬針尖和樣本只相隔數個原子直徑，電子能以穿隧方式「偷步」過間隙，穿隧電流會對針尖與表面距離極敏感。這就是穿隧顯微術的基本精神，能把解析度推到原子級。它與電子顯微鏡相輔相成，讓我們對微觀世界有更多維度的理解。

重點小結

• 電子可同時像粒子亦像波；其 De Broglie 波長 λ = h/(m v) 決定能看多細。
• 加速電子可縮短波長、提升解析度，但能量太高會破壞樣本。
• 電子顯微鏡靠收集被彈走、偏轉或穿透的電子，將其分佈轉成影像。
• 影像的光暗對比，來自電荷分佈、原子密度與表面地形對電子的不同作用。
• 量子世界天然帶糢糊，看到「雲」不是錯，而是如實反映機率本質。
• 在半導體與納米技術中，電子顯微鏡是研發與質量檢測的關鍵工具。

把光換成電子，不只是器材升級，而是觀點轉換：我們承認微觀世界有它的規矩，承認觀察會介入，但仍用巧妙的方法把擾動減到最低，換來更多真相。電子顯微鏡讓我們用量子的方式「睇清楚啲」，亦提醒我們：每一次看見，都是與自然的一次小對話，問得越深，就要越小心翼翼地聽。