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电子显微镜的发明、性能及功能原理

2013-10-16  发布者:admin 

普通光学显微镜通过提高和改善透镜的性能,使放大率达到1000─1500倍左右,但一直末超过2000倍。这是由于普通光学显微镜的放大能力受光的波长的限制。光学显微镜是利用光线来看物体,为了看到物体,物体的尺寸就必须大于光的波长,否则光就会“绕”过去。理论研究结果表明,普通光学显微镜的分辨本领不超过200毫米,有人采用波长比可见光更短的紫外线,放大能力也不过再提高一倍左右。
  
  要想看到组成物质的最小单位──原子,光学显微镜的分辨本领还差3─4个量级。为了从更高的层次上研究物质的结构,必须另辟蹊径,创造出功能更强的显微镜。
  
  有人设想用波长比紫外线更短的X射线的透镜。
  
  20世纪20年代法国科学家德布罗意发现电子流也具有波动性,其波长与能量有确定关系,能量越大波长越短,比如电子学1000伏特的电场加速后其波长是0.388埃,用10万伏电场加速后波长只有0.0387埃,于是科学家们就想到是否可以用电子束来代替光波?这是电子显微镜即将诞生的一个先兆。
  
  用电子束来制造显微镜,关键是找到能使电子束聚焦的透镜,光学透镜是无法会聚电子束的。
  
  1926年,德国科学家蒲许提出了关于电子在磁场中运动的理论。他指出:“具有轴对称性的磁场对电子束来说起着透镜的作用。”这样,蒲许就从理论上解决了电子显微镜的透镜问题,因为对电子束来说,磁场显示出透镜的作用,所以称为“磁透镜”。
  
  德国柏林工科大学的年轻研究员卢斯卡,1932年制作了第一台电子显微镜──它是一台经过改进的阴极射线示波器,成功地得到了铜网的放大像──第一次由电子束形成的图像,加速电压为7万,最初放大率仅为12倍。尽管放大率微不足道,但它却证实了使用电子束和电子透镜可形成与光学像相同的电子像。
  
  经过不断地改进,1933年卢斯卡制成了二级放大的电子显微镜,获得了金属箔和纤维的1万倍的放大像。
  
  1937年应西门子公司的邀请,卢斯理建立了超显微镜学实验室。1939年西门子公司制造出分辨本领达到30埃的世界上最早的实用电子显微镜,并投入批量生产。
  
  电子显微镜的出现使人类的洞察能力提高了好几百倍,不仅看到了病毒,而且看见了一些大分子,即使经过特殊制备的某些类型材料样品里的原子,也能够被看到。
  
  但是,受电子显微镜本身的设计原理和现代加工技术手段的限制,目前它的分辨本领已经接近极限。要进一步研究比原子尺度更小的微观世界必须要有概念和原理上的根本突破。
  
  1978年,一种新的物理探测系统──“扫描隧道显微镜已被德国学者宾尼格和瑞士学者罗雷尔系统地论证了,并于1982年制造成功。这种新型的显微镜,放大倍数可达3亿倍,最小可分辨的两点距离为原子直径的1/10,也就是说它的分辨率高达0.1埃。
  
  扫描隧道显微镜采用了全新的工作原理,它利用一种电子隧道现象,将样品本身作为一具电极,另一个电极是一根非常尖锐的探针,把探针移近样品,并在两者之间加上电压,当探针和样品表面相距只有数十埃时,由于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧穿电流,并保持不变,若表面有微小起伏,哪怕只有原子大小的起伏,也将使穿电流发生成千上万倍的变化,这种携带原子结构的信息,输入电子计算机,经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。
  
  鉴于卢斯卡发明电子显微镜的,宾尼格、罗雷尔设计制造扫描隧道显微镜的业绩,瑞典皇家科学院决定将1986年诺贝尔物理奖授予他们三人。