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电子显微镜|神秘的它终于现出真身

撰文 | 小溪
突然袭来的新冠肺炎疫情让人类又一次见识了“病毒”的威力 。 肉眼看不到的病毒作为一个物种 ， 很可能从地球生命诞生之初就已经存在 ， 而人类从意识到有病毒存在→看到病毒的模样→弄清病毒的内部结构成分却经历了漫长的过程 。
“病毒”早在19世纪末就已被科学家们证实肯定存在 ， 但用当时最先进的光学显微镜却始终找不到病毒的踪影(相关链接) 。 德国的恩斯特?阿贝(Ernst Abbe)通过理论分析提出了显微镜的“衍射极限”(被称为阿贝极限)概念 ， 即显微镜的分辨率最高只能达到光源波长的二分之一 ， 这就意味着以可见光(波长范围在0.38~0.78微米)为光源的光学显微镜无法实现小于0.2微米的分辨率 ， 由此可认定那肯定存在的“病毒”尺度一定小于0.2微米 。
怎样让肯定存在的病毒现出真身呢？科学界一直为此在努力 。
 · 一个假说
进入20世纪后出现了新的希望 。
1924年11月 ， 法国的路易?德布罗意(Louisde Broglie)提出了一个物质波假说 。 他认为：一切物质都与光一样具有波粒二象性 ， 当电子以高速运动时 ， 其行为类似光波的传播过程 ， 电子束可作波状运动 ， 但其波长要比光的波长短得多 。
德布罗意可不是一般人物 ， 他的物质波理论是在他的博士毕业论文中阐述的 ， 这一理论被誉为划时代的研究成果 ， 为建立波动力学奠定了坚实基础(仅仅5年之后的1929年 ， 年轻的德布罗意就获得了诺贝尔物理学奖 ， 他是第一个以学位论文获得诺贝尔奖的学者) 。
电子显微镜|神秘的它终于现出真身
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路易?德布罗意(Louisde Broglie)(图片来自网络)
德布罗意的奇思妙想竟然很快就被实验证实了 。 美国的克林顿·戴维森(Clinton Davisson)和英国的乔治·汤姆逊(George Thomson)1927年通过电子衍射实验证实了高速电子的波动性 ， 验证了德布罗意的物质波理论(他们因发现电子在晶体中的衍射现象获得了1937年的诺贝尔物理学奖) 。
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克林顿?戴维森(Clinton Davisson)、乔治?汤姆逊(George Thomson)
(图片来自网络)
 · 如何成像 ·
德布罗意的假说十分吸引人 ， 大胆设想一下 ， 电子束波长约是可见光波长的1/1000 ， 如果能用电子束作为显微镜的光源 ， 依据“阿贝极限”这样不就能大大提高显微镜的分辨率了？
答案是：仅有电子束作光源还是不行 ， 因为显微镜除了光源还需配置复杂的光学会聚与发散系统 ， 当时并没有人知道如何能让电子束会聚与发散 ， 也就是说电子束无法成像 。 是否可以认为：只要能找到使电子束会聚与发散的方法就可以得到放大的物像了？这个想法太有挑战性了 。
1926年时 ， 德国的汉斯?布希(HansBusch)通过理论分析证明：轴对称的非均匀电场和磁场应可以让电子束折射以产生电子束的会聚与发散 ， 最终达到成像的目的 。 可这个理论是否能成为现实呢？
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  汉斯?布希(Hans Busch)(图片来自网络)
1927年 ， 德国的恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska)还是个没毕业的学生 ， 他加入了柏林高等工业学院马克斯·克诺尔(Max Knoll)教授的研究团队 ， 他们当时的主要目标是研发高性能的阴极射线示波器 。 1929年 ， 鲁斯卡在用磁透镜和静电透镜使电子束成像的实验研究中取得了可喜的初步进展 ， 并与克诺尔开始着手研制透射电子显微镜 。
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恩斯特?鲁斯卡(Ernst Ruska)、马克斯·克诺尔(Max Knoll)
(图片来自网络)
 
鲁斯卡与克诺尔真是天作之合 ， 仅仅用了两年时间 ， 1931年时他们就研制成功了具有两个磁透镜的透射电子显微镜(Transmission ElectronMicroscope ， 简称TEM) ， 放大倍数虽然只有16~17倍 ， 但确实证实了使用电子束和电子透镜可以形成与光学透镜相同的电子像 。 那时 ， 鲁斯卡他们还未使用“电子显微镜”的称谓 。 直到1932年 ， 鲁斯卡与克诺尔在《物理学杂志(Zeitschrift für Physik)》上发表的题为《电子显微镜》论文中才正式提出了“电子显微镜”的名称 。
· 终于现出真身 ·
鲁斯卡再接再厉 ， 他设法进一步缩小磁场范围 ， 减小焦距 。 1933年 ， 他用改进后的磁透镜终于获得了放大12000倍的电子显微像——这可以说是现代电子显微镜真正的鼻祖 。 至1938年 ， 鲁斯卡等人制作的透射电子显微镜不但有聚光镜、高性能物镜、投影镜 ， 还配备了更换样品、底片的装置 ， 可获得3万倍放大率的图像 。


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