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·德望遠鏡布羅意的帶領下，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天文望遠鏡）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，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。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，便可以呈現金相顯微鏡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。