位似与显微镜的发展.doc

位似与显微镜的发展 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 CharlesOatley 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。