電子顯微鏡的誕生



人類花費了漫長的時間才踏進微觀世界。300多年前,荷蘭人列文虎克成功制造出世界上第一架光學顯微鏡,令人類得以窺探肉眼所不能看見的奇異世界。然而,光學顯微鏡利用可見光視物,這大大

限制了分辨率:光學顯微鏡的極限也只不過是細胞水平。人類對微觀世界的探索難道就只能停留在細胞水平嗎?這個看似絕對的命題在上世紀初被法國著名的理論物理家德布羅意(De Broglie)打破了。

一戰期間,德布羅意在埃菲爾鐵塔的軍用無線電報站服役。他是個科學愛好者,退伍後開始攻讀物理博士學位。在他哥哥莫裏斯·德布羅意的帶領下,他開始深入思考波粒二象性的問題。

波粒二象性的意思是,某種物質同時具備波和粒子的特性。這個概念最早由愛因斯望遠鏡坦於1905年提出,人們開始意識到原來光子同時具有波和電子的雙重性質。德布羅意的研究工作拓展了波粒二象性的

適用范圍:1923年9月到10月期間,他連續在《法國科學院通報》上發表了三篇文章,提出任何一種接近光速運動的粒子都具有波粒二象性。這個發現和電子顯微鏡有什麼關系呢?1926-1927年,電子衍

射現象驗證了電子的波動性,人們發現電子波長比X光還要短,從而聯想到可用電子射線代替可見光照明樣品來制作電子顯微鏡,以克服光波長在分辨率上的局限性。簡單地說,原本人們用光子來視物,

現在,人們能夠用分辨率更高的電子來視物了!

1926年,德國物理學家布施(Busch)發現,用一個旋轉對稱、不均勻的磁場可以作為一個“透鏡”,將電子束聚集起來。這個原理類似於玻璃透鏡將光束聚集起來。這個發現為電子顯微鏡的問世奠

定了理論基礎,許多天才學者馬不停蹄地開始了試驗。7年後的1933年,德國物理學家厄恩斯特·魯斯卡(Ernst Ruska)等人首次發表了關於電子顯微鏡的實驗和理論研究,並制作出了世界上第一台電

子顯微鏡(或者更精確一點,透射電子顯微鏡)。為了獲得較大的放大能力,人們又研究制造了短焦距的磁場透鏡,它除了會聚透鏡外,天文望遠鏡再利用兩個透鏡作連續兩次的造像。這種顯微鏡能在光學顯微鏡

的基礎上再放大一百倍,原先視野中模模糊糊的東西在人類眼中變得分明起來。魯斯卡因為透射電子顯微鏡的發明而獲得了1986年的諾貝爾獎。

目前的透射電子顯微鏡在具體結構上已經有了很大改進金相顯微鏡
。經過半個多世紀的發展,它已經被廣泛應用到自然科學的許多學科中,並且極大推動了這些學科的發展。在七十年代,透射電子顯微鏡終於實

現了人們直接觀察原子的長期願望,真正成了“科學之眼”。透射電子顯微鏡的原理和光學顯微鏡幾乎一樣,電子“透射”穿過樣品,便可以呈現出不同深淺明暗的圖像。總而言之,透射電子顯微鏡看

到的,是一個“透視”的畫面,它會將三維的結構壓縮成二維的黑白圖像。請記住,電鏡下的所有圖像都是黑白的,因為它們都是電子信息經過電腦處理之後得到的畫面,並非真實的可見光照片。透射

電子顯微鏡發展得很成熟,但最大的問題是它不能獲取立體的信息,有什麼解決辦法呢?早在1935年,就有人想到了另一種電子顯微鏡的模式:用電子束擊打樣品,然後收集反射回來的電子信號,就可

以得到樣品表面的信息。1938年,德國物理學家梵亞丁(Van Ardenne)在透射電子顯微鏡的急促上加了一個掃描用的線圈,做出了世界上第一台掃描電子顯微鏡。它能夠直接觀察厚的樣品,但由於圖像

分析的難度加大,所以發展並沒有透射電子顯微鏡那麼快。直到1955年,掃描電鏡的研究采取的較為顯著的突破,成像質量得到了明顯提高,又過了十年,劍橋科技器械公司才制造出了第一台商業化的

掃描電鏡。

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