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(dá)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(zhǎng)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(zhǎng),否則光就會(huì)"繞"過(guò)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(guò)200毫米,有人采用波長(zhǎng)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(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(zhǎng)比紫外線(xiàn)更短的Ｘ射線(xiàn)的透鏡。

  20世紀(jì)20年代法國(guó)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(zhǎng)與能量有確定關(guān)系,能量越大波長(zhǎng)越短,比如電子學(xué)1000伏特的電場(chǎng)加速后其波長(zhǎng)是0．388埃,用10萬(wàn)伏電場(chǎng)加速后波長(zhǎng)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(guó)科學(xué)家蒲許提出了關(guān)于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的理論。他指出："具有軸對(duì)稱(chēng)性的磁場(chǎng)對(duì)電子束來(lái)說(shuō)起著透鏡的作用。"這樣,蒲許就從理論上解決了電子顯微鏡的透鏡問(wèn)題,因?yàn)閷?duì)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(guó)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(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(jí)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(yīng)西門(mén)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(mén)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(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(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(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(cè)系統(tǒng)──"掃描隧道顯微鏡已被德國(guó)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(shuō)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(wàn)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(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(shè)計(jì)制造掃描隧道顯微鏡的業(yè)績(jī),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?/p>

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