電子顯微鏡的發(fā)明、性能及功能原理

　　普通光學(xué)顯微鏡通過(guò)提高和改善透鏡的性能，使放大率達到1000─1500倍左右，但一直末超過(guò)2000倍。這是由于普通光學(xué)顯微鏡的放大能力受光的波長(cháng)的限制。光學(xué)顯微鏡是利用光線(xiàn)來(lái)看物體，為了看到物體，物體的尺寸就必須大于光的波長(cháng)，否則光就會(huì )“繞”過(guò)去。理論研究結果表明，普通光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不超過(guò)200毫米，有人采用波長(cháng)比可見(jiàn)光更短的紫外線(xiàn)，放大能力也不過(guò)再提高一倍左右。

　　要想看到組成物質(zhì)的最小單位──原子，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)還差3─4個(gè)量級。為了從更高的層次上研究物質(zhì)的結構，必須另辟蹊徑，創(chuàng )造出功能更強的顯微鏡。

　　有人設想用波長(cháng)比紫外線(xiàn)更短的X射線(xiàn)的透鏡。

　　20世紀20年代法國科學(xué)家德布羅意發(fā)現電子流也具有波動(dòng)性，其波長(cháng)與能量有確定關(guān)系，能量越大波長(cháng)越短，比如電子學(xué)1000伏特的電場(chǎng)加速后其波長(cháng)是0.388埃，用10萬(wàn)伏電場(chǎng)加速后波長(cháng)只有0.0387埃，于是科學(xué)家們就想到是否可以用電子束來(lái)代替光波?這是電子顯微鏡即將誕生的一個(gè)先兆。

　　用電子束來(lái)制造顯微鏡，關(guān)鍵是找到能使電子束聚焦的透鏡，光學(xué)透鏡是無(wú)法會(huì )聚電子束的。

　　1926年，德國科學(xué)家蒲許提出了關(guān)于電子在磁場(chǎng)中運動(dòng)的理論。他指出：“具有軸對稱(chēng)性的磁場(chǎng)對電子束來(lái)說(shuō)起著(zhù)透鏡的作用�！边@樣，蒲許就從理論上解決了電子顯微鏡的透鏡問(wèn)題，因為對電子束來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)顯示出透鏡的作用，所以稱(chēng)為“磁透鏡”。

　　德國柏林工科大學(xué)的年輕研究員盧斯卡，1932年制作了第一臺電子顯微鏡──它是一臺經(jīng)過(guò)改進(jìn)的陰極射線(xiàn)示波器，成功地得到了銅網(wǎng)的放大像──第一次由電子束形成的圖像，加速電壓為7萬(wàn)，最初放大率僅為12倍。盡管放大率微不足道，但它卻證實(shí)了使用電子束和電子透鏡可形成與光學(xué)像相同的電子像。

　　經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)，1933年盧斯卡制成了二級放大的電子顯微鏡，獲得了金屬箔和纖維的1萬(wàn)倍的放大像。

　　1937年應西門(mén)子公司的邀請，盧斯理建立了超顯微鏡學(xué)實(shí)驗室。1939年西門(mén)子公司制造出分辨本領(lǐng)達到30埃的世界上最早的實(shí)用電子顯微鏡，并投入批量生產(chǎn)。

　　電子顯微鏡的出現使人類(lèi)的洞察能力提高了好幾百倍，不僅看到了病毒，而且看見(jiàn)了一些大分子，即使經(jīng)過(guò)特殊制備的某些類(lèi)型材料樣品里的原子，也能夠被看到。

　　但是，受電子顯微鏡本身的設計原理和現代加工技術(shù)手段的限制，目前它的分辨本領(lǐng)已經(jīng)接近極限。要進(jìn)一步研究比原子尺度更小的微觀(guān)世界必須要有概念和原理上的根本突破。

　　1978年，一種新的物理探測系統──“掃描隧道顯微鏡已被德國學(xué)者賓尼格和瑞士學(xué)者羅雷爾系統地論證了，并于1982年制造成功。這種新型的顯微鏡，放大倍數可達3億倍，最小可分辨的兩點(diǎn)距離為原子直徑的1/10，也就是說(shuō)它的分辨率高達0.1埃。

　　掃描隧道顯微鏡采用了全新的工作原理，它利用一種電子隧道現象，將樣品本身作為一具電極，另一個(gè)電極是一根非常尖銳的探針，把探針移近樣品，并在兩者之間加上電壓，當探針和樣品表面相距只有數十埃時(shí)，由于隧道效應在探針與樣品表面之間就會(huì )產(chǎn)生隧穿電流，并保持不變，若表面有微小起伏，哪怕只有原子大小的起伏，也將使穿電流發(fā)生成千上萬(wàn)倍的變化，這種攜帶原子結構的信息，輸入電子計算機，經(jīng)過(guò)處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像。

　　鑒于盧斯卡發(fā)明電子顯微鏡的，賓尼格、羅雷爾設計制造掃描隧道顯微鏡的業(yè)績(jì)，瑞典皇家科學(xué)院決定將1986年諾貝爾物理獎授予他們三人。