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電子顯微鏡的發(fā)明、性能及功能原理

[2012/3/7]

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

　　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(jí)。為了從更高的層次上研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，必須另辟蹊徑，創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的顯微鏡。

　　有人設(shè)想用波長比紫外線更短的X射線的透鏡。

　　20世紀(jì)20年代法國科學(xué)家德布羅意發(fā)現(xiàn)電子流也具有波動(dòng)性，其波長與能量有確定關(guān)系，能量越大波長越短，比如電子學(xué)1000伏特的電場加速后其波長是0.388埃，用10萬伏電場加速后波長只有0.0387埃，于是科學(xué)家們就想到是否可以用電子束來代替光波?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)于電子在磁場中運(yùn)動(dòng)的理論。他指出：“具有軸對(duì)稱性的磁場對(duì)電子束來說起著透鏡的作用！边@樣，蒲許就從理論上解決了電子顯微鏡的透鏡問題，因?yàn)閷?duì)電子束來說，磁場顯示出透鏡的作用，所以稱為“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(tái)電子顯微鏡──它是一臺(tái)經(jīng)過改進(jìn)的陰極射線示波器，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，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)過不斷地改進(jìn)，1933年盧斯卡制成了二級(jí)放大的電子顯微鏡，獲得了金屬箔和纖維的1萬倍的放大像。

　　1937年應(yīng)西門子公司的邀請(qǐng)，盧斯理建立了超顯微鏡學(xué)實(shí)驗(yàn)室。1939年西門子公司制造出分辨本領(lǐng)達(dá)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(xiàn)使人類的洞察能力提高了好幾百倍，不僅看到了病毒，而且看見了一些大分子，即使經(jīng)過特殊制備的某些類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(shè)計(jì)原理和現(xiàn)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(tǒng)──“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(tǒng)地論證了，并于1982年制造成功。這種新型的顯微鏡，放大倍數(shù)可達(dá)3億倍，最小可分辨的兩點(diǎn)距離為原子直徑的1/10，也就是說它的分辨率高達(dá)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(xiàn)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(dāng)探針和樣品表面相距只有數(shù)十埃時(shí)，由于隧道效應(yīng)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)生成千上萬倍的變化，這種攜帶原子結(jié)構(gòu)的信息，輸入電子計(jì)算機(jī)，經(jīng)過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(shè)計(jì)制造掃描隧道顯微鏡的業(yè)績，瑞典皇家科學(xué)院決定將1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)授予他們?nèi)恕?