津爱改装车|物质波看世界 | 第一话
研究表明人类接收的信息中视觉占80%左右 ， 呈现人们面前的缤纷世界 ， 是基于物质反射的可见光波对人眼作用的结果 ， 例如我们可以用眼睛看到一片生机盎然的绿色植物（图1a） 。 但人类并不满足于肉眼的观察 ， 而希望深入观察物质世界的内部 。 放大镜和光学显微镜是人类最早发明的用于观察微观世界的仪器 。 用光学显微镜可以观察到组成植物的木质素细胞（图1b） 。 但随着时间的推移 ， 光学显微镜无论如何改进 ， 其分辨率都很难再进一步提高 。
我们知道两个点如果能被光学设备区分开 ， 需要满足瑞利判据（Rayleigh Criterion） ， 见图2 ， 它是衡量光学仪器解析能力的度量 。 能分辨的最小距离δ 近似表示为, 其中 ， λ 是光源辐射波长 ， μ 是介质折射率 ， β 是放大镜收集半角 。 μsinβ 称为数值孔径 ， 近似为单位1 。 以人眼能观测的短波绿光为例 ， 它的波长约为 550 nm ， 光学显微系统的最高分辨率约为300 nm 。
当然我们也可以通过改变观测波长 ， 利用紫外线、x射线等 ， 也可增加折射率如油浸显微镜（n=1.5） 。 但总的来说效果有限 。 因此人类开发了多种技术尽可能地利用物质波对无机的物质世界、有机的生命体进行探测 ， 人类科技发展也得益于对观测能力的不断提升 。 图1中的三张照片分别是（a）木质素植物 ，(b)木质素细胞 ，(c) 新冠病毒 ， 它们的分辨率分别约为：100μm, 1μm, 0.01μm 。 图1（c）的分辨率达到10nm ， 远远小于人眼和光学显微镜的分辨率极限 。 这一清晰图片的获得 ， 是电子显微镜的功劳 。
显微技术发展大事记
提高分辨率的最主要的途径是减小显微镜光源的波长λ ， 如何实现可调波长λ和稳定输出光源是显微镜研究领域的关键核心技术 。 为此 ， 人们基于物质波的理论 ， 先后开发了电子束光源 ， 离子束光源和中子束光源等先进的光源技术 ， 这些先进的物质波光源照亮了微观世界 ， 也为人们了解和认识微观物质世界打开希望之窗 。 本文将分成如下4个部分: 1. 物质波的概念 ， 2.物质波光源与显微技术 ， 3.物质波的微观世界 ， 4.展望 。 01物质波的概念--光源的产生的机理世界是物质的 ， 也是运动的 。 基于德布罗意的波粒二象性理论 ， 运动的物质粒子既有粒子特性 ， 也具有波的特性：粒子的动量p 和波长λ 通过普朗克常量联系起来 ， 即控制辐照光源粒子波长λ 唯一办法就是控制粒子的运动速度 。 以透射电子显微镜（TEM）中的电子束光源为例 ， 电子被电场加速获得动能 ， 即电子的动量p 为电子质量m0与电子速度v 的乘积 ， 即带回（2）式 ， 可得电子束波长和电镜加速电压之间的关系加速电压V 与电子束波长λ 为反比关系 。 2.1 电子束光源
电子是自然界中广泛存在的一种粒子 ， 在各类物质中均存在 。 但电子通常是被静电力束缚在带正电的原子核周围 ， 在电子显微镜中所需要的在空间中自由运动的电子是很少见的 。 为此 ， 科研人员发明了电子枪装置产生电子束光源 ， 电子枪的结构和电子束产生的原理见图3 。 现在的电子枪按结构可分为两类 ， 热发射电子枪和场发射电子枪 。 热发射电子枪中用灯丝加热容易发射电子的物质如LaB6等 ， 物质受热后固体内电子的运动速度增加 ， 超过逸出功的高能的电子可以摆脱静电力的束缚 ， 从材料中发射出来 ， 见图3a 。 场发射电子枪中发射材料有一个非常尖锐的顶端 ， 见图3b ， 在外加电压下尖端的电场强度非常大 ， 导带电子将由量子力学效应随穿逸出 ， 形成电子束 。 具体工作原理为 ， 第一级电极加几kV正电压 ， 强电场可以将电子从针尖拔出；第二级电极为加速电压 ， 可以用200kV对电子进行加速图3d 。 场发射电子枪比热阴极电子枪亮度高 ， 相干性好 ， 但成本也高 。 电了枪的整体结构照片如图3e所示 。
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