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电子显微镜的诞生

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? ? ? ?人类花费了漫长的时间才踏进微观世界。300多年前,荷兰人列文虎克成功制造出世界上第一架光学显微镜,令人类得以窥探肉眼所不能看见的奇异世界。然而,光学显微镜利用可见光视物,这大大限制了分辨率:光学显微镜的极限也只不过是细胞水平。人类对微观世界的探索难道就只能停留在细胞水平吗?

? ? ? ?这个看似绝对的命题在上世纪初被法国著名的理论物理家德布罗意(De Broglie)打破了。一战期间,德布罗意在埃菲尔铁塔的军用无线电报站服役。他是个科学爱好者,退伍后开始攻读物理博士学位。在他哥哥莫里斯·德布罗意的带领下,他开始深入思考波粒二象性的问题。

? ? ? ?波粒二象性的意思是,某种物质同时具备波和粒子的特性。这个概念最早由爱因斯坦于1905年提出,人们开始意识到原来光子同时具有波和电子的双重性质。德布罗意的研究工作拓展了波粒二象性的适用范围:1923年9月到10月期间,他连续在《法国科学院通报》上发表了三篇文章,提出任何一种接近光速运动的粒子都具有波粒二象性。

? ? ? ?这个发现和电子显微镜有什么关系呢?1926-1927年,电子衍射现象验证了电子的波动性,人们发现电子波长比X光还要短,从而联想到可用电子射线代替可见光照明样品来制作电子显微镜,以克服光波长在分辨率上的局限性。简单地说,原本人们用光子来视物,现在,人们能够用分辨率更高的电子来视物了!

? ? ? ?1926年,德国物理学家布施(Busch)发现,用一个旋转对称、不均匀的磁场可以作为一个“透镜”,将电子束聚集起来。这个原理类似于玻璃透镜将光束聚集起来。这个发现为电子显微镜的问世奠定了理论基础,许多天才学者马不停蹄地开始了试验。

? ? ? ?7年后的1933年,德国物理学家厄恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska)等人首次发表了关于电子显微镜的实验和理论研究,并制作出了世界上第一台电子显微镜(或者更精确一点,透射电子显微镜)。为了获得较大的放大能力,人们又研究制造了短焦距的磁场透镜,它除了会聚透镜外,再利用两个透镜作连续两次的造像。这种显微镜能在光学显微镜的基础上再放大一百倍,原先视野中模模糊糊的东西在人类眼中变得分明起来。鲁斯卡因为透射电子显微镜的发明而获得了1986年的诺贝尔奖。

鲁斯卡1933年制作的电子显微镜(网络图)

厄恩斯特·鲁斯卡(网络图)

? ? ? ?目前的透射电子显微镜在具体结构上已经有了很大改进。经过半个多世纪的发展,它已经被广泛应用到自然科学的许多学科中,并且极大推动了这些学科的发展。在七十年代,透射电子显微镜终于实现了人们直接观察原子的长期愿望,真正成了“科学之眼”。

? ? ? ?透射电子显微镜的原理和光学显微镜几乎一样,电子“透射”穿过样品,便可以呈现出不同深浅明暗的图像。总而言之,透射电子显微镜看到的,是一个“透视”的画面,它会将三维的结构压缩成二维的黑白图像。请记住,电镜下的所有图像都是黑白的,因为它们都是电子信息经过电脑处理之后得到的画面,并非真实的可见光照片。

透射电子显微镜拍摄到的线粒体(网络图)

? ? ? ?透射电子显微镜发展得很成熟,但最大的问题是它不能获取立体的信息,有什么解决办法呢?早在1935年,就有人想到了另一种电子显微镜的模式:用电子束击打样品,然后收集反射回来的电子信号,就可以得到样品表面的信息。1938年,德国物理学家梵亚丁(Van Ardenne)在透射电子显微镜的急促上加了一个扫描用的线圈,做出了世界上第一台扫描电子显微镜。它能够直接观察厚的样品,但由于图像分析的难度加大,所以发展并没有透射电子显微镜那么快。直到1955年,扫描电镜的研究采取的较为显著的突破,成像质量得到了明显提高,又过了十年,剑桥科技器械公司才制造出了第一台商业化的扫描电镜。

? ? ? ?费了那么大力气研究出来的扫描电镜有什么好处呢?首先,它的景深大、图像极富立体感;同时,它的样品制备过程非常简单,不像透射电镜那样需要进行超薄切片(切片如果不够薄,透射电子显微镜就没有用武之地了),有时候甚至不需要任何处理就可以直接观察;样品可以在样品室里不断移动、旋转,因此可以从多角度对样品进行分析,甚至有人可以一边观察一边做显微解剖……唯一的弱点在于它的图像同样也是黑白的。

? ? ? ?2015年安徽省的高考作文题目中有这样一句话:“……通过这台可以看清纳米尺度物体三维结构的显微镜,同学们惊奇地发现:原本色彩斑斓的蝴蝶翅膀竟然失去了色彩,显现出奇妙的凹凸不平的结构。”

? ? ? ?这句话描述的就是扫描电子显微镜。只可惜出题人并不了解电子显微镜的构造和原理,不然他就会明白,一切物体,都会在电镜下失去颜色。

扫描电子显微镜拍摄到的花粉颗粒(网络图)

? ? ? ?如果说,光学显微镜是人类对微观世界的认识有了第一次飞跃,那么可以说,电子显微镜让人类对微观世界的认识有了第二次飞跃。的确,光学显微镜使人类看到了肉眼看不到的细菌和细胞,揭开了许多生物界的“谜”,但是因为光学显微镜的分辨率受光波波长的限制,使更多的“谜”仍无法解开。而电子显微镜是以电子束作为光源的,电子束的波长比可见光的波长短得多,使电子显微镜的分辨率大幅度提高。从此,人类用电子显微镜揭示了细菌、噬菌体、类病毒、DNA和蛋白质大分子等,甚至获取了“原子核和电子云”的原子像。

透射电子显微镜拍摄到的病毒颗粒(网络图)

? ? ? ?电子显微镜的诞生和应用改变了二十世纪的进程。现在,在各种学科里,电镜都得到了广泛的应用。

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文章来源:科普中国-科技创新里程碑http://news.xinhuanet.com/science/2015-11/16/c_134820279.htm

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