显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

眼睛,是我们最重要的感觉器官。我们所获得的信息,有八成是来自视觉。如果形容什么东西最珍贵,总是说“像爱护自己的眼睛一样”去珍惜它。

爱护眼睛,青少年朋友首先要做到,在看书学习的时候,要把书本、纸张放在距离眼睛25厘米的地方。这个距离称为“明视距离”。老师、家长要求的“25厘米距离”是怎么来的?原来,我们的眼睛,能分辨离眼睛25厘米处相距0.1毫米(100000纳米)的两个点。在这种情况下,对眼睛来说,它们所成的视角大约是1’,所成的像恰好能落在视网膜的两个感光细胞上。两个点的距离如果小于0.1毫米,它们在视网膜上的像,就都落到一个感光细胞上,我们的视觉感受到的就只是一个点。显然,设法把这个视角放大,我们就可以看到更小的东西。

光学显微镜的诞生

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

显微镜的问世,要从400年前说起。1590年前后,眼镜工匠詹森把两个凸透镜前后放置,发现物体的细节变得十分清楚。光学显微镜就是这样偶然发明的。但是,谈到显微镜,荷兰人列文虎克的名气比詹森大得多。列文虎克的贡献,不仅是自制出放大倍数达到300的显微镜,而且致力于显微镜的实际应用。这使他成为显微镜发展史上的杰出人物。

阅读关于列文虎克的记载文字,给我们留下最难忘印象的,就是他那不可遏制的强烈的好奇心。他本是个卖亚麻制品的商人,却以制作玻璃与金属制品为乐事。

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

他把磨制镜片、组装显微镜作为业余的消遣。做商人,那是为了生计;做实验,那是他的游戏。列文虎克用自制的显微镜发现了一个微观的世界,一个人们从未见过的世界。这使他异常兴奋。我们见惯了大自然的美,有了显微镜才发现,那个微观的自然世界也很动人、也很美!列文虎克怀着极大的兴趣观察了许许多多东西的“细节”。唾液、尿液、叶片、牛粪等,都成了他的观察对象。他破天荒第一次利用显微镜观察到细菌,打破了数百年来人们的迷信猜测,开辟了征服传染病的新纪元。

显微镜的历史,就是不断提高分辨率的历史:使越来越小的样本细节,能够在眼睛上形成1’以上的视角。科学家渐渐认识到,光学显微镜的分辨率与照明辐射的波长成正比。照明辐射的波长越短,显微镜的分辨率越高。可见光的波长为400纳米~760纳米。现代光学显微镜的最大有效放大倍数可以达到2000,能够分辨200纳米的物体,可以看到最小的细菌。多数病毒比细菌小得多,使用光学显微镜就无法观察了。

电子显微镜的诞生

人们对光的认识也在不断深化。1864年,麦克斯韦把全部电磁现象归结为一组数学方程,推论出自然界存在电磁波,指出光只是波长在一个很小范围内的特殊的电磁波。

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

1878年人们认识到,光学显微镜的分辨率在理论上是有限度的。科学家知道,为了提高分辨率,必须采用波长更短的“辐射”来照射样品。1905年,26岁的爱因斯坦发表了题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文,首次揭示了光子的波粒二象性。1921年,爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖,就是因为这篇论文的成就。1923年夏天,32岁的德布罗意提出,一切实物粒子都具有波动性;1924年,他给出物质波波长的计算公式,实物粒子动量越大,它的波长就越短。德布罗意获得1929年诺贝尔物理学奖。

物理学的这些革命性事件,引起了显微镜科学技术的革命。德国科学家鲁斯卡和克诺尔想到,既然“一切实物粒子都具有波动性”,那可以用电子束代替光作为显微镜的“光源”。电子与光子一样,也具有波粒二象性,而电子的波长比光的波长短得多,利用电子束照射样品,就能分辨样品更微小的细节。1932年,他们研制出第一台电子显微镜,放大倍数达到12000,超过了光学显微镜。这一年鲁斯卡年仅26岁。1939年,在鲁斯卡主持下,西门子公司制造出世界上第一台实用的电子显微镜。如今,电子显微镜的工作电压高达100万伏,有效放大倍数高达100万倍。电子显微镜完成了显微技术的一次革命,因此鲁斯卡获得1986年诺贝尔物理学奖金的一半,另一半由研制出扫描隧道显微镜的宾尼希和罗雷尔分享。获诺贝尔物理学奖时,鲁斯卡已经是80岁的耄耋老人了,离他去世仅仅两年。

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

电子显微镜的革命性在于,它用电子束代替了光学照明。在受到50~100千伏电压的加速后,电子的波长为0.53~0.37纳米,大致等于光波长的l/1000。根据两者波长的关系,大家可以推测,电子显微镜的分辨率会比光学显微镜高得多。现代电子显微镜可以分辨物体上距离0.2纳米的两个点,是光学显微镜的1/1000。借助电子显微镜,人们能够观察金属的晶体结构、蛋白质分子、细胞和病毒的结构。电子显微镜的发明,推动了生物学的研究。

扫描隧道显微镜的诞生

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

电子显微镜观察的物体要放在真空中,要接受脱水处理,而且要接受高速电子的打击。因此,能放进电子显微镜观察的试样受到限制,观察结果也受到影响。科学技术的发展,需要基于新原理的显微镜;而显微镜要在理论上有所突破,必须依赖基础科学的革命性的进展。1958年,日本科学家江崎玲於奈在研究重掺杂PN结时发现了隧道效应,揭示了固体中电子隧道效应的物理原理。江崎玲於奈与贾埃弗、约瑟夫森分享1973年诺贝尔物理学奖。

1978年,一种新型显微镜的灵感,在一次谈话中产生了。一天,IBM公司苏黎世实验室的科学家罗雷尔向德国研究生宾尼希介绍他们实验室的表面物理研究计划。31岁的宾尼希提出,可以用隧道效应来研究表面现象啊!罗雷尔对他的想法很有兴趣。于是,1978年底,罗雷尔就邀请宾尼希来到苏黎世,一起研制利用隧道效应的显微镜。宾尼希和罗雷尔克服了重重困难,终于在1981年研制出扫描隧道显微镜。它是显微技术的又一个革命性的进展,放大倍数达到数千万倍。这种新型显微镜的革命性表现在,它是借助隧道效应研究材料表面。因此,它不使用透镜,对样品无破坏性,而且可以获得三维图像。

扫描隧道显微镜的研制成功,展示的是综合性成果之和谐美。最早利用隧道效应来研究表面现象的不是宾尼希和罗雷尔,而是美国物理学家贾埃弗。我们可以想见,观察样品表面原子尺度,必定要求仪器具有极高的稳定性。贾埃弗未能克服这个巨大的障碍。宾尼希和罗雷尔却在3年时间里,实现了理论上、实验技术上和机械工艺上三大方面的突破,解决了仪器的稳定性难题,取得了最后的成功。没有机械工艺上的突破,扫描隧道显微镜是无法成功的。

扫描隧道显微镜分辨率极高,水平方向达到0.2纳米,垂直方向更达到0.001纳米,可以给出样品表面原子尺度的信息。我们知道,一个原子的典型线度是0.3纳米。对于单个原子成像来说,这样的分辨率已经是足够了。扫描隧道显微镜的发明,促进了生物科学、表面物理、半导体材料和工艺、化学作用的研究。扫描隧道显微镜技术还在继续发展。例如,为了弥补扫描隧道显微镜只能对导体和半导体进行成像和加工这个缺陷,研制出能在纳米尺度对绝缘体进行成像和加工的原子力显微镜。

在上世纪30年代,还出现了一种借助电子来显示物体表面结构的显微镜,那就是场一发射显微镜。1937年,缪勒发明了场一发射显微镜,直接把发射体表面的图像投射到荧光屏上。因为是“直接投射”,这种显微镜的放大倍数,大约等于荧光屏半径除以发射体半径,可以达到100万。场一发射显微镜和场一离子显微镜,是迄今最得力的显微镜之一。场一发射显微镜的分辨率可以达到2纳米。场一离子显微镜的分辨率更高,可以达到0.2纳米。0.2纳米的分辨率是什么意思呢?就是说,荧光屏上能够显示出样品(针尖)表面上的单个原子。在场一离子显微镜中,样品尖端要承受强大的电场力作用。因此,场一离子显微镜仅用于研究金属材料,无法进行生物分子的研究。

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

从光学显微镜、电子显微镜到扫描隧道显微镜,显微术与近现代科学结伴同行,走过了400多年的历程。显微镜陪伴伽利略、牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦一路走来。显微镜发展的历史,是科学革命的历史,是技术创新的历史,是制造技术发展的历史。显微镜是人类科学、技术、工程活动的和谐产物。像科学史一样,显微镜发展史是一面镜子,给我们许多深刻的启发。

显微镜帮助我们看清物体微观尺度的面貌。有了显微镜,人类不仅可以研究微观结构,发现新的规律,而且在更小的尺度下,发现了另类的赏心悦目的美。显微镜既是真善美融合统一的产物,又是真善美融合统一的“证人”。

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