原子到底有多大？怎么才能看到原子和分子呢？原子和分子尺寸都很小，肉眼无法直接看到，那么科学家们是如何看到原子和分子的呢？这个问题的答案其实非常简单——放大了看！科学家也不是超人，跟大家一样，肉眼看不到的东西，就去把它放大就好了，显微镜就是这么被发明出来的。
原子的最早提出者是古希腊人留基伯（公元前500～约公元前440年），他是德谟克利特的老师。原子（atom）这一词也来源于希腊语，原意即是不可分割。实际上，虽然物理学中依然可以将原子分割为更小的质子、中子以及电子，但是在化学反应中，原子依然是最小的单位。
原子的半径有很多种，常见的有轨道半径、范德华半径（也称范式半径）、共价半径、金属半径等，同一原子依不同定义得到的原子半径差别可能很大。
根据原子序数和核外电子数量，原子的差别也会很大。但是大致来说，原子的半径在10-10米这个数量级上，也就是常说的埃（Ångstrom或ANG或Å）。人的头发大约是60~90微米（6×10-5~9×10-5米），也就是说一根头发丝上可以横着摆下60万到90万个原子，显然用肉眼去看原子是完全不可能的。如果希望把原子放大到肉眼可见的程度，放大倍数需要在250万倍到300万倍之间。
分子（molecule）的定义是物质中能够独立存在的相对稳定，并保持该物质物理化学特性的最小单元。比如两个氧原子通过共价键可以形成一个氧分子。分子的尺寸比原子大得多，尺寸的不确定性也相对更低，氧分子的直径约为3.46Å（3.46×10-10米），二氧化碳分子直径约为3.3 Å（3.3×10-10米）。
一些大型的分子则尺寸更大，像是高温超导材料YBa2Cu3O7-δ在最长的方向上尺寸可以超过10 Å，也就是1纳米（1×10-9米）。那么想把分子放大到肉眼可见的程度，只需要放大100万倍到200万倍就可以了。但是实际上，虽然分子比原子要大得多，尺寸也更加固定，可想看到单个分子远远要比看到原子要难得多。这是为什么呢？
人们对微观世界的探索从未停息，但是早期人们只能通过自己的眼睛来观察。
虽然人的眼睛是一个结构精巧的光学器件，但是毕竟不是专门用于看微观世界的。所以即使眼神极好的人，大概也只能看到60微米左右东西，也就是人的头发丝那么大。最早的用于帮助观察的道具是我们中学物理学到过的凸透镜，通过透镜我们可以对物体进行一定程度的放大，当我们把物体放在凸透镜的焦距以内，就会在焦距以外呈现出正立放大的虚像，这就是放大镜的原理。
早期的透镜放大倍数只有2~3倍，也许可以帮助视力不好的人看清楚字迹，但是我们离看到原子和分子还差得远。因此，我们需要新的工具。最先做出突出成绩的是罗伯特·胡克（Robert Hooke），那位曾与牛顿打得天翻地覆的科学家。罗伯特·胡克不仅是一位造诣高深的理论学家，他发明了胡克定律，而且对行星引力平方反比定律做出了贡献，他还是一位制作精密仪器的高手。
他在1665年发表了著作《显微图片：或关于使用放大镜对微小实体作生理学描述》（Microphagia: or Some PhysiologicalDescriptions of Miniature Bodies Made by Magnifying Glasses），在这本书里，他向读者展示了一个纷繁复杂又奇妙无比的微观世界。
随着科学和工业的不断发展，显微镜在微观领域中的作用越来越突出，细胞核、染色体、线粒体等细胞器被逐渐发现，但是显微镜的放大倍数并没有显著的提高。1886年，卡尔蔡司发明了阿比式镜头并改进了复合式显微镜，进一步提高了放大倍数。但是通过物理学研究，尤其是电磁波理论的研究（光是电磁波的一种），人们发现，光学显微镜的放大倍数有一个无法逾越的极限。
这个极限是由可见光的波长决定的：任何小于可见光波长的物体都会使可见光发生衍射，从而无法通过可见光被清晰地看到。目前为止，最顶级的光学显微镜的放大倍数也只有2000倍，经过350年的努力，我们仅仅在列文虎克的基础上提高了不到7倍，这个进展速度太慢了，300万倍的目标依然遥不可及。
既然放大倍数难以提升的症结在于可见光的波长太长了，那么选一个波长短的就好了。20世纪初，科勒（Köhler）等人发明了紫外光显微镜，紫外线的波长比可见光短，这使分辨率有了一定程度的提高，但紫外线仍不是最好的成像媒介，不能满足科研和生产需要。
这个时代已经是物理学大爆发的年代，洛伦兹、居里夫人、爱因斯坦、玻尔、泡利、海森堡、薛定谔，这些大家耳熟能详的物理学家纷纷登场。
德布罗意是其中的一位，他是迄今为止唯一一个凭借博士毕业论文获得诺贝尔奖的科学家，他在1924年自己的博士论文中提到：电子是一种波，而且是一种波长很短的波。1932年，柏林工业大学压力实验室的年轻研究员卢斯卡（Ernst Ruska）和克诺尔（Max Knoll）对阴极射线示波器做了一些改进，成功得到放大几倍后的铜网图像，确立了电子显微法。
1年后，1933年，卢斯卡成功制造出了能放大1万倍的电子显微镜，远远超过了光学显微镜的极限。在53年后的1986年，卢斯卡因此获得了诺贝尔物理学奖，这是诺贝尔奖史上等待时间最长的获奖者。
电子显微镜的作用原理与光学显微镜完全不同，光学显微镜利用的是光在被测物体上发生的反射，然后通过透镜收集直接进入人的眼睛。电子显微镜则使用电子枪向被测物体发射高能电子束，电子束与被测物体发生作用产生一系列信号。正常人类的眼睛显然不具备收集这些电信号的能力，所以电子显微镜需要一套系统将电子信号转化为人能看到的图像。所以电子显微镜就像是“终结者”的电子眼一样。
扫描电镜使用二次电子为观测信号，二次电子能量极低，只可以从样品表面小于10nm的范围内激发而出，这就使得扫描电镜只能观察到样品表面的形貌，而无法获得样品整个的结构信息。另外由于扫描电镜无需穿透样品，所以加速电压相对较小（小于30 kV），这使得扫描电镜的光斑相对较大，无法获得极高的分辨率。一般普通的扫描电镜的放大倍数不超过100万倍，分辨率大致在几百纳米的尺度上。
而场发射扫描电镜（field emission scanning electron microscope，FESEM）可以有效地提高加速电压以聚拢光斑，这就让我们可以获得更大的放大倍数（一般小于150万倍），并可以看到10~20nm左右的颗粒。
扫描隧道显微镜的工作原理出乎意料地简单，它跟我们见过的老式唱片机有着非常相似的工作原理。一根极细的探针（针尖仅仅由一个原子组成）慢慢通过被测物体，当针尖带有一个电荷时，一股电流从探针流出，通过整个材料。当探针通过单个的原子时，流过探针的电流量便有所变化，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓，原理示意图如图4所示。
扫描隧道显微镜已经不是传统的显微镜了，他并不是用某种信号（光或者电子）作用在某个区域上，然后收集反馈信号并加以分析，最终得到放大效果。扫描隧道显微镜直接通过原子和原子之间的作用，来从根本上逐个观测原子。所以，扫描隧道显微镜不存在传统意义上的“放大倍数”。但是由于他可以清晰地观测单个原子，并且分辨率达到0.1nm，也就是1 Å，换算下来放大倍数远远超过300万倍。
虽然扫描隧道显微镜可以有效地看到单个原子并操纵它们，但是扫描隧道显微镜只能用来观察导体，半导体的效果就很差了，而绝缘体则完全无法观测。为了弥补这一缺陷，发明了扫描隧道显微镜的格尔德·宾尼希再接再厉，在1985年发明了原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）。原子力显微镜的原理与扫描隧道显微镜大致相同，都是通过探针和原子表面发生相互作用。
但是最大的区别在于，原子力显微镜采用了原子间的相互作用（如范德华力）作为信号进行收集，而非隧道电流，这就使得原子力显微镜可以观察诸如陶瓷的绝缘体。
科学家们在追求看到原子和分子的路上奋斗了两千年了，最开始人们选的是直接采用透镜（显微镜）放大。
从公元前人们发现透镜可以放大一直到1674年列文虎克展示了他275倍的显微镜，光学显微镜达到了他最辉煌的时候，细胞、染色体、线粒体等耳熟能详的名词都因它而问世。但是在最后的350年内，光学显微镜举步维艰，放大倍数最大也没有超过2000倍，这距离看到分子和原子还远得很。在20世纪初，人们发现了电子束可以跟物体发生相互作用，并获得物体微观区域的形貌和结构信息，电子显微镜应运而生。
由于电子显微镜的发现，放大倍数呈现了跨越式增长。随着放大倍数的增加，我们看到了晶粒、晶胞，甚至通过高分辨透射电镜我们可以清楚地看到一个一个整齐排列的原子。至此，科学家们并没有停步，通过使用探针和物体表面单个原子的相互作用，他们制备了扫描隧道显微镜和原子力显微镜，并成功地做到观测并操作单个原子。
我们完全有理由相信，这些探索欲望无穷的科学家绝对不会满足于现状的，在可预见的未来，我们将期待更加先进的设备让我们更好地看到原子和分子。