显微镜的发展

2014/12/19 9:33:00作者:佚名来源:网络查看评论0条)字号:

    我们的眼睛能看到数百万光年外的星系,却不一定能看到眼前细小的物体。在大尺度上观察物质的运动,毫无疑问能得到强烈的美感。那么从极其微小的尺度上呢?威廉·布莱克在一首诗中写道:

    一花一世界,一沙一天堂,掌中握无限,霎那成永恒。
                                                  ——《天真的预言》(Auguries of Innocence),1863

    如果除去其中的神秘主义和宗教意味,那么这首诗恰好与微观世界的某些特点不谋而合。例如一朵花包含数以万计的细胞,而一粒沙确实是由无数的氧原子和硅原子组成的(SiO2)。

    不过,即使把一朵花握于掌中,你也决不会肉眼分辨出其中的“世界”。一个视力正常的人,只能看清大约25厘米之外的物体,如果继续靠近,晶状体就无法把物体的像正确的投影在视网膜上。即使在25厘米的明视距离上,你也只拥有1分的分辨率。或者说,在这个距离上,你恰好能把两条相距0.075毫米的线分开。从生物学的角度可以解释这种现象。当两条线的距离小于0.075毫米的时候,它们的像就会落在视网膜的同一个视觉感受器—视锥细胞或者视杆细胞—上面。那么你就没法把它们分辨开来。

    很早以前,人们就知道某些光学装置能够“放大”物体。比如在《墨经》里面就记载了能放大物体的凹面镜。至于凸透镜是什么时候发明的,可能已经无法考证。凸透镜——有的时候人们把它称为“放大镜”——能够聚焦太阳光,也能让你看到放大后的物体,这是因为凸透镜能够把光线偏折。你通过凸透镜看到的其实是一种幻觉,严格的说,叫做虚像。当物体发出的光通过凸透镜的时候,光线会以特定的方式偏折。当我们看到那些光线的时候,或不自觉地认为它们仍然是沿笔直的路线传播。结果,物体就会看上去比原来大。

    单个凸透镜能够把物体放大几十倍,这远远不足以让我们看清某些物体的细节。公元13世纪,出现了为视力不济的人准备的眼镜——一种玻璃制造的透镜片。随着笼罩欧洲一千年的黑暗消失,各种新的发明纷纷涌现出来,显微镜(microscope)就是其中的一个。大约在16世纪末,荷兰的眼镜商詹森(Zaccharias Janssen)和他的儿子把几块镜片放进了一个圆筒中,结果发现通过圆筒看到附近的物体出奇的大,这就是现在的显微镜和望远镜的前身。

    詹森制造的是第一台复合式显微镜。使用两个凸透镜,一个凸透镜把另外一个所成的像进一步放大,这就是复合式显微镜的基本原理。如果两个凸透镜一个能放大10倍,另一个能放大20倍,那么整个镜片组合的的放大倍数就是10*20=200倍。

    复合式显微镜

    1665年,英国科学家罗伯特·胡克(人们可能更熟悉他的另一个发现:胡克定律)用他的显微镜观察软木切片的时候,惊奇的发现其中存在着一个一个“单元”结构。胡克把它们称作“细胞”。不过,詹森时代的复合式显微镜并没有真正显示出它的威力,它们的放大倍数低得可怜。荷兰人安东尼·冯·列文虎克(Anthony Von Leeuwenhoek ,1632-1723)制造的显微镜让人们大开眼界。列文虎克自幼学习磨制眼镜片的技术,热衷于制造显微镜。他制造的显微镜其实就是一片凸透镜,而不是复合式显微镜。不过,由于他的技艺精湛,磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍,超过了以往任何一种显微镜。

    当列文虎克把他的显微镜对准一滴雨水的时候,他惊奇的发现了其中令人惊叹的小小世界:无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了英国皇家学会,引起了一阵轰动。人们有时候把列文虎克称为“显微镜之父”,严格的说,这不太正确。列文虎克没有发明第一个复合式显微镜,他的成就是制造出了高质量的凸透镜镜头。

    在接下来的两个世纪中,复合式显微镜得到了充分的完善,例如人们发明了能够消除色差(当不同波长的光线通过透镜的时候,它们折射的方向略有不同,这导致了成像质量的下降)和其他光学误差的透镜组。与19世纪的显微镜相比,现在我们使用的普通光学显微镜基本上没有什么改进。原因很简单:光学显微镜已经达到了分辨率的极限。

    如果仅仅在纸上画图,你自然能够“制造”出任意放大倍数的显微镜。但是光的波动性将毁掉你完美的发明。即使消除掉透镜形状的缺陷,任何光学仪器仍然无法完美的成像。人们花了很长时间才发现,光在通过显微镜的时候要发生衍射——简单的说,物体上的一个点在成像的时候不会是一个点,而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近,你就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再高也无济于事了。对于使用可见光作为光源的显微镜,它的分辨率极限是0.2微米。任何小于0.2微米的结构都没法识别出来。

    提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长,或者,用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论,运动的电子具有波动性,而且速度越快,它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高,并且汇聚它,就有可能用来放大物体。

    1938年,德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜(TEM)。1952年,英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜(SEM)。电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高,电子显微镜的分辨率可以达到纳米级(10-9m)。很多在可见光下看不见的物体——例如病毒——在电子显微镜下现出了原形。

    用电子代替光,这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。1983年,IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜(STM)。这种显微镜比电子显微镜更激进,它完全失去了传统显微镜的概念。

    诺贝尔奖:Ernst Ruska,Gerd Binnig和Heinrich Rohrer(从左至右)分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖。

    很显然,你不能直接“看到”原子。因为原子与宏观物质不同,它不是光滑的、滴溜乱转的小球,更不是达·芬奇绘画时候所用的模型。扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作。如果舍弃复杂的公式和术语,这个工作原理其实很容易理解。隧道扫描显微镜没有镜头,它使用一根探针。探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面很近——大约在纳米级的距离上——隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙,形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化,这股电流也会相应的改变。这样,通过测量电流我们就能知道物体表面的形状,分辨率可以达到单个原子的级别。

    因为这项奇妙的发明,Binnig和Rohrer获得了1986年的诺贝尔物理学奖。这一年还有一个人分享了诺贝尔物理学奖,那就是电子显微镜的发明者Ruska。

    据说,几百年前列文虎克把他制作显微镜的技术视为秘密。今天,显微镜——至少是光学显微镜——已经成了一种非常普通的工具,让我们了解这个小小的大千世界。

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