第四十八章人类的“魔眼”
电子显微镜的发明
电子显微镜的发明是显微领域的重大革命。显微技术的不断进步，使人类得以探秘神奇
的微观世界，从而改变了人类的生活和思维。
服务科学显微技术
显微镜是在1590年左右由荷兰的杨森发明的。杨森是眼镜店里磨镜片的工人。他的显微镜是
用透镜组合而成的。把两片凸透镜和两片凹透镜各组成一对，凸透镜作为物镜
，凹透镜作为目镜。这是一台很大的显微镜，
镜筒的直径
有5厘米多，镜筒的长度有40多厘米。这台显微镜还不能消除像差(影像歪斜模糊不清)，也
不能聚光，不能清楚地观看物体，不过是一件有趣的玩具。
杨森的显微镜和1608年荷兰的利比斯赫制作的望远镜具有相似的原理，它和现在使用的把两
片凸透镜装嵌在镜筒两端的显微镜不同。
利比斯赫的望远镜发明出来以后，很快地被天文学家利用起来。而显微镜虽然比望远镜早发
明20多年，却迟迟没有得到应用。
1665年，英国发明家罗伯特·胡克在化学家波义耳的实验室里当一名助手。胡克当时30岁，
工作之余，他开始改制显微镜。
一天，胡克在显微镜下观察一小片软木塞片时，发现了它具有其他材料所没有的结构——软
塞片上全是孔洞，就像一只蜂窝，他称那些蜂窝叫“细胞”(其实那是些曾被活的物质占有
过的小格子)。
胡克的显微镜使用了两片凸透镜，原理和现在的显微镜相同。另外，胡克为了清楚地观看要
了解的物体，想出了在物镜下面另外安装凸透镜用以聚光的方法。
为了提高倍率，胡克进一步使用了近于球形的凸透镜。但是这样一来，通过透镜的物体影像
便产生了色纹(即色差)。于是，胡克进行了种种研究，发现使用两片贴在一起的透镜就能够
消除色纹。
胡克的发现和对显微镜的改制，使得显微术广为流传开来。胡克将他观察到的许多东西汇编
成一本书——《显微图志》，书中有83页插图，它记录下了人类最早发现细胞的许多珍贵资
料，还记录了胡克观察雪花晶体结构的图形以及微小的化石生物的结构。
胡克的杰出贡献在于：他使显微镜从玩具变成了科学仪器，他的作用犹如伽利略将望远镜从
对准枝头小鸟到指向茫茫星空一样。
普遍推广力纠色差
现代显微技术的先驱是荷兰的列文虎克。他于1632年出生在荷兰代尔夫特一个贫穷的家庭，
从小没有念过多少书，成年后在阿姆斯特丹一家布店当店员，业余时间对磨制玻璃透镜很感
兴趣，他自制的镜片质量很好。1673年，他制成了一架能放大300倍的显微镜，1675年，他
利用这台显微镜在一只新瓦罐所盛的雨水中发现了一种单细胞的有机体，这种有机体大约只
有肉眼可见的水虱子的百分之一大。1683年，他发现了更小的细菌，因此成为世界上第一个
发现细菌的人。细菌的发现开辟了人类征服传染病的新纪元，促成了抵抗疾病的健康检查及
种痘和药物研制的成功。如果没有他的工作奠定基础，巴斯德和其他微生物方面的先驱者是
没法完成其研究工作的。
1688年，列文虎克又发现了蝌蚪尾巴的血液循环方式，他还最早发现了红血球的存在，并指
出人和哺乳动物的血液中的红血球是球形的，而低等动物的红血球是椭球形的。
1714年，他用藏红花作肌纤维切片的染色，这一简单的切片和染色是显微样品制片技术的萌
芽。
列文虎克一生制作了200多架显微镜，他是第一个用放大透镜看到细菌和原生动物的人。尽
管缺少正规的科学训练，但他利用简单显微镜对肉眼看不到的微小世界的细致观察和惊人发
现，对18世纪和19世纪初期细菌学和原生动物学研究的发展，起了奠基作用。到18世纪，显
微镜已有许多改进，应用比较普遍，并开始作为一种商品进行生产。
1792年，普林斯做出美国第一架显微镜。随后几年，许多仪器制造者开拓接受订做显微镜
。渐渐地，显微镜成了几家厂商的“目录产品”，其中有两家重要的厂商迄今犹存：美国光
学公司和包希—罗姆公司。
1807年，代耳研制出消色差显微物镜。他发现用一系列形状、结构和距离不同的凸凹透镜
组互
相配合，便能最大限度地纠正色差，形成一个明亮、清晰而准确的影像，这就是物镜由一组
透镜构成的缘故，这种透镜就叫做消色差透镜。
1827年，阿米奇发明了孔径角高达120°的三组消色差物镜。1850年，他又制造出浸液物镜
。这是因为光线穿过聚光镜玻璃(折射率为151)进入空气时会偏离法线，向外折射，因此
进入物镜的光量减少很多，像的分辨率也降低。使用100倍物镜时，如果在物镜和盖玻片之
间充以油液(折射率为151)以隔绝空气，则光线几乎可以不折射地进入物镜，这就增加了
像的亮度和分辨率，这种物镜就叫油浸物镜。
早期的显微镜都属于光学显微镜，它是利用光学原理，用玻璃磨制成透镜组合在一起，使物
体放大。第一块透镜产生物体的放大像，第二块透镜用来观察这个放大的像。然而，光学显
微镜对物体的放大倍数却有限。300多年以来，人们为改进光学显微镜绞尽脑汁：透镜越磨
越光，设备越制越精，但遗憾的是，光学显微镜的有效放大率始终没有突破2000倍这个极限
。科学家们开始另辟蹊径。
早在19世纪末，德国的光学家阿贝就认为，光学显微镜的分辨本领大约是使用光线波长的一
半。既然光线的波长可以影响分辨本领，那么如果使用波长短的光线来作光源，分辨本领就
可以提高，放大倍数自然也就提高了。当时，科学家已经知道紫外线、X射线、γ射线的波
长要比光波短。经过多年的努力，科学家们终于在20世纪初发明了紫外光显微镜，稍后又出
现了γ射线显微镜，但是，他们的思路仍没有脱离光学原理。
1924年，法国科学家德·布洛依证明：任何一种粒子，在快速运动时，必定都伴有电磁辐射
，而且辐射波的波长与粒子的质量及粒子运动的速度成反比。这是一个惊人的发现。科学家
们设想可以用高速运动的电子作光源，发明出一种新型的电子显微镜。可惜，德·布洛依的
证明并没有引起人们的重视。
当时，许多科学家都在研究高压阴极射线示波器。1924年，德国科学家加柏在柏林进行这项
研究时，无意间制造出了一种短焦距、对电子有会聚能力的线圈，然而，加柏却不能解释其
中的原理以及如何加以应用。
1926年，又一位德国科学家布施发现，加柏制造的线圈对电子可以起透镜的作用，他发现高
速运动的电子在电磁场的作用下会发生折射，并且能被聚焦。然而电子显微镜依然没有由是
而生。
但是，德·布洛依和布施的两个发现，为电子显微镜的发明指明了正确方向，电子显微
镜的问世，只是迟早的问题了。
电子显微探秘微观
1928年，柏林技术大学24岁的鲁斯卡开始系统地研究磁场的光学行为。
鲁期卡发现，经过电子光学放大几倍后得到的钼格的像和用玻璃透镜得到的放大倍数相同
的像没有什么区别。这个发现奠定了把磁透镜进一步发展为电子显微镜的基础。
1931年4月7日，鲁斯卡将两个磁透镜组成的电子光学光具座，对铂金网络进行二级放大，意
外地发现他居然成功地把像放大了17倍。磁透镜竟然和光学透镜一样，不仅对光束具有折射
聚焦作用，而且经过组合，还有放大作用。
从这一天起，鲁斯卡便献身于电子显微镜的研制工作了。
鲁斯卡的成功仅仅是初步的，其中还存在很多困难需要解决。例如，在电压很高的情况下
生物样品会受到严重的辐射损伤，使得图像很难被真实地记录下来。而鲁斯卡仍然执着地在
逆境中前进，他把所有的时间和精力都贡献给了电子显微镜的研制工作。
功夫不负有心人，1933年底，鲁斯卡终于建成了一台真正的电子显微镜。它利用电子透镜
聚焦的电子束，形成放大倍数极高的物体图像，而不是如光学显微镜那样用普
通光线成像。它的透镜称为磁透镜，它是一种旋转对称的电场或磁场，对电子束具有聚焦作
用，和玻璃透镜对光线作用类似。其透射电镜的主要组成部分是：产生电子束的电子枪；
用来放置需要观察的对象的样品室；用于放大图像的三个或四个磁透镜；用来记录图像的荧
光屏或照相底片。整个系统处于高真空中。它的最高放大倍数达到12 000倍，为当时倍数最
的光学显微镜的6倍。又由于电子波长很短，所以，分辨率达到百万分之一厘米，即可以区
分相距百万分之一厘米的两个点。
而且，鲁斯卡还找到了解决辐射损伤难题的方法：他在镜内装了一个旋转台，一次可装好几
个样品，当一个样品被电子束毁坏时，另一个样品便很快来填补。
世界上第一台电子显微镜终于诞生了!它的发明开创了物质微观世界研究的新纪元，鲁斯卡
也因为发明电子显微镜而获得1936年的诺贝尔物理学奖。
推陈出新人类“魔眼”
上述电子显微镜是利用透过样本的电子束成像的，因而更确切地应当称它为透射式电子显微
。为了确保电子的顺利通过，必须把样本做得很薄——厚度比最薄的纸还要薄上百倍。后来
科学家们设法加大电压，增强电子的穿透能力，对样本的厚度要求虽然放宽了一些，但是世
界上的物质形形色色，千差万别，并不是什么东西都能做成薄片来观察的。例如羊毛纤维、
金属断口这类凹凸不平的东西，如果也切成薄片，早就面目全非了。于是科
学家们另辟蹊径，利用一束聚焦得极细的电子束在样本表面上来回移动扫描，然后把反射回
来的“二次电子”作为信号，逐点逐行地投射到显像管的荧光屏上。这样，样本表面凹凸不
平的形状就被人们一览无余了。1942年，剑桥大学的马伦在奥特雷指导下，终于运用上述原
理制成了扫描电子显微镜。1948年，他完成了有关基础理论研究。随着电子技术的飞跃发展
，奥特雷和另一位科学家合作，采用新的工艺和零件，终于在1955年成功地拍摄到了“长景
深”照片，并于1965年由英国剑桥大学仪器公司生产出世界上第一台有实用价值的扫描电子
显微镜。其分辨能力已提高到500～1000?，经过进一步改进，又达到70～100?。虽然仍比
透射式电子显微镜低，但却可以直接看到很大、很厚(直径为15毫米，原为10毫米)的物体。
同时还能够做上下、前后、左右、倾斜和旋转运动，从各个不同角度观察样本。在扫描电子
显微镜中，既可了解样本某个局部的细节，又能看到全貌，知道这些细节在整体上的地位。
经过它放大的图像景深长、立体感强(故也称为立体电子显微镜)。由于扫描电子显微镜的上
述特长，因而在工农业生产和科研领域得到了广泛应用。例如，用来检查钢铁断口，以分析
其断裂原因；评定粮食、羊毛纤维、纸张的质量；确定钻井时取得岩芯中古生物种类，为寻
找油田提供依据；观察催化剂的表面积，以提高催化效率；直接“看到”大规模集成电路中
“管”的工作状态；观察直接从大田里采集的麦穗，以监督其生长情况等等。总之，如果把
光学显微镜比作人的老年的话，透射式电子显微镜就是中壮年，扫描电子显微镜更属“早晨
八九点钟的太阳”的青少年，发展前程无量。
近年来，在电子显微镜中应用电子计算机图像处理和全息技术，分辨率更高(突破005纳米
)，并能获得微观的立体图像。科学家力图用它更清楚地观察原子形状，解读遗传密码。
1982年，国际商用机器公司苏黎世试验室的科学家宾尼和罗雷尔发明了真空条件下工作的扫
描隧道显微镜，使人类第一次看到了物质表面的原子排列状态。为此，他俩获得了1986年的
诺贝尔物理学奖。
电子显微镜是人类的“魔眼”，它使人类眼光深邃，明察秋毫，可洞察微观物质的基本结构
，真正开拓了人类的视野，改变了人类的生活方式和思维方式。
