原子是一種非常小的微粒，這是我們都知道的，那原子究竟小到了什麼程度呢？我們不妨來簡單計算一下，看看1克銅含有多少個銅原子。
在元素週期表中可以看到，銅的相對原子質量為63.55，也就是說1摩爾（mol）的銅的質量為63.55克，根據定義，1摩爾的銅含有大約6.02 x 10^23個銅原子，據此我們可以計算出，大約每1克銅就有95萬億億個銅原子。
真是“不算不知道，一算嚇一跳”，原來原子居然這麼小，區區1克的銅，就含有數量如此龐大的銅原子。那麼問題就來了，像原子這麼小的微粒是怎麼被觀察到的呢？
通常來講，我們只需要利用光學顯微鏡將某個微小的物體放大到足夠的倍數，就可以直接看到該物體了，但對於原子這種尺寸的微粒來講，這是行不通的。
光學顯微鏡是利用可見光進行觀察的，而可見光的波長大約介於390至780奈米之間（注：1奈米=10^-9米），相對而言，原子的直徑數量級則為10^-10米，由於可見光的波長遠遠大於原子的直徑，因此當可見光遇到原子時，就會發生明顯的衍射，在我們看來就是一片模糊，根本無法清晰成像。
實際上，即使是紫外線和X射線，也無法滿足觀察原子的精度，而波長更短的伽馬射線，則會因為能量太高而極易破壞原子，並且還極易發生散射，導致無法聚焦，所以也不適合用來觀察原子，那怎麼辦呢？科學家選擇了電子。
由於電子同時具備了“波”和“粒子”的雙重性質（即波粒二象性），其波長很短（數量級可達10^-12米），因此電子就成了觀察原子的良好選擇。
早在1933年，柏林工業大學壓力實驗室的恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）就成功製造出了世界上第一臺電子顯微鏡（Electron Microscope，簡稱EM），簡單來講，這種顯微鏡的工作原理就是，向觀察目標發射高能電子束，然後觀測電子束與觀察目標發生相互作用時產生的各種效應，並將其轉化為人眼能夠識別的影象。
（世界上第一臺電子顯微鏡）
在經過多年發展之後，電子顯微鏡已經可以將觀察目標放大200萬倍以上，其解析度也能夠達到0.2奈米，以這樣的水平，觀察成片的原子是沒有什麼問題了，不過科學家還想更進一步，去仔細觀察單個的原子，於是就有了後來的掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，簡稱STM）。
掃描隧道顯微鏡由IBM蘇黎世研究實驗室的格爾德·賓寧（Gerd Binnig）和海因裡希·羅雷爾（Heinrich Rohrer）於1981年研製成功（順便講一下，在1986年的時候，他們與前文提到的恩斯特·魯斯卡一起獲得了諾貝爾物理學獎）。
這種顯微鏡會用到一根非常細的探針（針頭只有一個原子那麼大，可透過“電化學腐蝕法”或“機械成型法”來製備），在進行觀測工作時，探針和觀察目標之間會加上合適的電壓，當探針距離目標足夠近時，就會因為“量子隧穿效應”而產生隧道電流，在這種情況下，當探針掃描單個原子的不同部位時，流過探針的隧道電流就會出現細微的漲落，將這種漲落進行影象化處理之後，就獲得了原子的形狀。
掃描隧道顯微鏡的解析度可達0.01奈米，觀察像銅原子這麼小的微粒可以說完全沒有問題，但它卻有一個缺點，那就是它只適合用來觀察導體，對半導體的觀測效果就很不理想了，而對絕緣體則根本就不能觀測。
為了解決這個問題，格爾德·賓寧又與斯坦福大學的卡爾文·奎特（Calvin Quate）於1985年發明了原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱AFM）。
原子力顯微鏡同樣也需要一根非常細的探針，探針位於一個對力的變化極為敏感的微懸臂的末端，由於原子之間存在著相互作用力（如範德華力），因此當探針掃描單個原子的不同部位時，微懸臂就會產生細微的起伏或振動，將檢測到的資料進行影象化處理之後，就可以獲得原子的形狀。
需要注意的是，儘管原子力顯微鏡的應用範圍比掃描隧道顯微鏡更廣，但由於科技的限制，原子力顯微鏡的精度目前還達不到掃描隧道顯微鏡的水平。
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