光學(xué)顯微鏡的誕生：顯微鏡的問世，要從400年前說起。1590年前后，眼鏡工匠詹森把兩個(gè)凸透鏡前后放置，發(fā)現(xiàn)物體的細(xì)節(jié)變得十分清楚。光學(xué)顯微鏡就是這樣偶然發(fā)明的。但是，談到顯微鏡，荷蘭人列文虎克的名氣比詹森大得多。列文虎克的貢獻(xiàn)，不僅是自制出放大倍數(shù)達(dá)到300的顯微鏡，而且致力于顯微鏡的實(shí)際應(yīng)用。這使他成為顯微鏡發(fā)展史上的杰出人物。

閱讀關(guān)于列文虎克的記載文字，給我們留下*難忘印象的，就是他那不可遏制的強(qiáng)烈的好奇心。他本是個(gè)賣亞麻制品的商人，卻以制作玻璃與金屬制品為樂事。

他把磨制鏡片、組裝顯微鏡作為業(yè)余的消遣。做商人，那是為了生計(jì)；做實(shí)驗(yàn)，那是他的游戲。列文虎克用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)微觀的世界，一個(gè)人們從未見過的世界。這使他異常興奮。我們見慣了大自然的美，有了顯微鏡才發(fā)現(xiàn)，那個(gè)微觀的自然世界也很動(dòng)人、也很美！列文虎克懷著極大的興趣觀察了許許多多東西的“細(xì)節(jié)”。唾液、尿液、葉片、牛糞等，都成了他的觀察對(duì)象。他破天荒**次利用顯微鏡觀察到細(xì)菌，打破了數(shù)百年來人們的迷信猜測(cè)，開辟了征服傳染病的新紀(jì)元。

顯微鏡的歷史，就是不斷提高分辨率的歷史：使越來越小的樣本細(xì)節(jié)，能夠在眼睛上形成1’以上的視角?？茖W(xué)家漸漸認(rèn)識(shí)到，光學(xué)顯微鏡的分辨率與照明輻射的波長(zhǎng)成正比。照明輻射的波長(zhǎng)越短，顯微鏡的分辨率越高。可見光的波長(zhǎng)為400納米～760納米?，F(xiàn)代光學(xué)顯微鏡的*大有效放大倍數(shù)可以達(dá)到2000，能夠分辨200納米的物體，可以看到*小的細(xì)菌。多數(shù)病毒比細(xì)菌小得多，使用光學(xué)顯微鏡就無法觀察了。

電子顯微鏡的誕生

人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)也在不斷深化。1864年，麥克斯韋把全部電磁現(xiàn)象歸結(jié)為一組數(shù)學(xué)方程，推論出自然界存在電磁波，指出光只是波長(zhǎng)在一個(gè)很小范圍內(nèi)的特殊的電磁波。

1878年人們認(rèn)識(shí)到，光學(xué)顯微鏡的分辨率在理論上是有限度的?？茖W(xué)家知道，為了提高分辨率，必XU采用波長(zhǎng)更短的“輻射”來照射樣品。1905年，26歲的愛因斯坦發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》的論文，首次揭示了光子的波粒二象性。1921年，愛因斯坦獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，就是因?yàn)檫@篇論文的成就。1923年夏天，32歲的德布羅意提出，一切實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性；1924年，他給出物質(zhì)波波長(zhǎng)的計(jì)算公式，實(shí)物粒子動(dòng)量越大，它的波長(zhǎng)就越短。德布羅意獲得1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

物理學(xué)的這些革命性事件，引起了顯微鏡科學(xué)技術(shù)的革命。德國(guó)科學(xué)家魯斯卡和克諾爾想到，既然“一切實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性”，那可以用電子束代替光作為顯微鏡的“光源”。電子與光子一樣，也具有波粒二象性，而電子的波長(zhǎng)比光的波長(zhǎng)短得多，利用電子束照射樣品，就能分辨樣品更微小的細(xì)節(jié)。1932年，他們研制出**臺(tái)電子顯微鏡，放大倍數(shù)達(dá)到12000，超過了光學(xué)顯微鏡。這一年魯斯卡年僅26歲。1939年，在魯斯卡主持下，西門子公司制造出世界上**臺(tái)實(shí)用的電子顯微鏡。如今，電子顯微鏡的工作電壓高達(dá)100萬伏，有效放大倍數(shù)高達(dá)100萬倍。電子顯微鏡完成了顯微技術(shù)的一次革命，因此魯斯卡獲得1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金的一半，另一半由研制出掃描隧道顯微鏡的賓尼希和羅雷爾分享。獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，魯斯卡已經(jīng)是80歲的耄耋老人了，離他去世僅僅兩年。

電子顯微鏡的革命性在于，它用電子束代替了光學(xué)照明。在受到50～100千伏電壓的加速后，電子的波長(zhǎng)為0.53～0.37納米，大致等于光波長(zhǎng)的l／1000。根據(jù)兩者波長(zhǎng)的關(guān)系，大家可以推測(cè)，電子顯微鏡的分辨率會(huì)比光學(xué)顯微鏡高得多?，F(xiàn)代電子顯微鏡可以分辨物體上距離0.2納米的兩個(gè)點(diǎn)，是光學(xué)顯微鏡的1／1000。借助電子顯微鏡，人們能夠觀察金屬的晶體結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)分子、細(xì)胞和病毒的結(jié)構(gòu)。電子顯微鏡的發(fā)明，推動(dòng)了生物學(xué)的研究。

掃描隧道顯微鏡的誕生

電子顯微鏡觀察的物體要放在真空中，要接受脫水處理，而且要接受高速電子的打擊。因此，能放進(jìn)電子顯微鏡觀察的試樣受到限制，觀察結(jié)果也受到影響。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要基于新原理的顯微鏡；而顯微鏡要在理論上有所突破，必XU依賴基礎(chǔ)科學(xué)的革命性的進(jìn)展。1958年，日本科學(xué)家江崎玲於奈在研究重?fù)诫sPN結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)了隧道效應(yīng)，揭示了固體中電子隧道效應(yīng)的物理原理。江崎玲於奈與賈埃弗、約瑟夫森分享1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1978年，一種新型顯微鏡的靈感，在一次談話中產(chǎn)生了。一天，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家羅雷爾向德國(guó)研究生賓尼希介紹他們實(shí)驗(yàn)室的表面物理研究計(jì)劃。31歲的賓尼希提出，可以用隧道效應(yīng)來研究表面現(xiàn)象??！羅雷爾對(duì)他的想法很有興趣。于是，1978年底，羅雷爾就邀請(qǐng)賓尼希來到蘇黎世，一起研制利用隧道效應(yīng)的顯微鏡。賓尼希和羅雷爾克服了重重困難，終于在1981年研制出掃描隧道顯微鏡。它是顯微技術(shù)的又一個(gè)革命性的進(jìn)展，放大倍數(shù)達(dá)到數(shù)千萬倍。這種新型顯微鏡的革命性表現(xiàn)在，它是借助隧道效應(yīng)研究材料表面。因此，它不使用透鏡，對(duì)樣品無破壞性，而且可以獲得三維圖像。

掃描隧道顯微鏡的研制成功，展示的是綜合性成果之和諧美。*早利用隧道效應(yīng)來研究表面現(xiàn)象的不是賓尼希和羅雷爾，而是美國(guó)物理學(xué)家賈埃弗。我們可以想見，觀察樣品表面原子尺度，必定要求儀器具有極高的穩(wěn)定性。賈埃弗未能克服這個(gè)巨大的障礙。賓尼希和羅雷爾卻在3年時(shí)間里，實(shí)現(xiàn)了理論上、實(shí)驗(yàn)技術(shù)上和機(jī)械工藝上三大方面的突破，解決了儀器的穩(wěn)定性難題，取得了*后的成功。沒有機(jī)械工藝上的突破，掃描隧道顯微鏡是無法成功的。

掃描隧道顯微鏡分辨率極高，水平方向達(dá)到0.2納米，垂直方向更達(dá)到0.001納米，可以給出樣品表面原子尺度的信息。我們知道，一個(gè)原子的典型線度是0.3納米。對(duì)于單個(gè)原子成像來說，這樣的分辨率已經(jīng)是足夠了。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，促進(jìn)了生物科學(xué)、表面物理、半導(dǎo)體材料和工藝、化學(xué)作用的研究。掃描隧道顯微鏡技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展。例如，為了彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡只能對(duì)導(dǎo)體和半導(dǎo)體進(jìn)行成像和加工這個(gè)缺陷，研制出能在納米尺度對(duì)絕緣體進(jìn)行成像和加工的原子力顯微鏡。

在上世紀(jì)30年代，還出現(xiàn)了一種借助電子來顯示物體表面結(jié)構(gòu)的顯微鏡，那就是場(chǎng)一發(fā)射顯微鏡。1937年，繆勒發(fā)明了場(chǎng)一發(fā)射顯微鏡，直接把發(fā)射體表面的圖像投射到熒光屏上。因?yàn)槭恰爸苯油渡洹保@種顯微鏡的放大倍數(shù)，大約等于熒光屏半徑除以發(fā)射體半徑，可以達(dá)到100萬。場(chǎng)一發(fā)射顯微鏡和場(chǎng)一離子顯微鏡，是迄今*得力的顯微鏡之一。場(chǎng)一發(fā)射顯微鏡的分辨率可以達(dá)到2納米。場(chǎng)一離子顯微鏡的分辨率更高，可以達(dá)到0.2納米。0.2納米的分辨率是什么意思呢？就是說，熒光屏上能夠顯示出樣品(針尖)表面上的單個(gè)原子。在場(chǎng)一離子顯微鏡中，樣品**要承受強(qiáng)大的電場(chǎng)力作用。因此，場(chǎng)一離子顯微鏡僅用于研究金屬材料，無法進(jìn)行生物分子的研究。

從光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡到掃描隧道顯微鏡，顯微術(shù)與近現(xiàn)代科學(xué)結(jié)伴同行，走過了400多年的歷程。顯微鏡陪伴伽利略、牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦一路走來。顯微鏡發(fā)展的歷史，是科學(xué)革命的歷史，是技術(shù)創(chuàng)新的歷史，是制造技術(shù)發(fā)展的歷史。顯微鏡是人類科學(xué)、技術(shù)、工程活動(dòng)的和諧產(chǎn)物。像科學(xué)史一樣，顯微鏡發(fā)展史是一面鏡子，給我們?cè)S多深刻的啟發(fā)。

顯微鏡幫助我們看清物體微觀尺度的面貌。有了顯微鏡，人類不僅可以研究微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，而且在更小的尺度下，發(fā)現(xiàn)了另類的賞心悅目的美。顯微鏡既是真善美融合統(tǒng)一的產(chǎn)物，又是真善美融合統(tǒng)一的“證人”。