用上能放大1000倍的放大镜，我们会看到怎样的世界？

来源:中科院半导体所发布时间:2022-07-241350浏览

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原文作者：科学史上的365天
“一花一世界，一沙一天堂”，这是英国著名的浪漫诗人威廉·布莱克在“天真的预言”中的诗句，它充满了浪漫的幻想，含义也非常丰富。
一朵花含有数以万计的细胞，一粒沙中有无数氧和硅的原子，人仅凭肉眼是不可能完全欣赏这个 “世界”之美的。要想提高视觉功能，必须借助仪器。

日本艺术家西永进拍摄了一组扫描电子显微镜摄影作品。

在电子显微镜下，花瓣、叶子和花粉呈现出绚烂的色彩和奇异的纹理。

图为使用扫描电子显微镜拍摄的杏花。

在提高显微镜的功能时，除了提高放大倍数外，还要提高分辨率，也就是使能分辨两个点间的距离变得更小，而提高分辨率的关键就是减小工作光波的波长。光学显微镜工作在可见光波段内，这就使分辨率受到了很大的限制。
20世纪二三十年代，电子的波动性被发现后，人们发现电子的波长只是光波波长的千分之一，于是有人想到，如果利用电子束代替光束，就能使显微镜的分辨率提高上千倍。但在光学显微镜一统天下的当时，这种“反常规”的念头被认为是不可能实现的。
首先提出这一奇特想法的是一位年轻人，他就是德国柏林工业大学的研究生恩斯特·鲁斯卡。

恩斯特·鲁斯卡
1925年，鲁斯卡追寻他向往的专业——电机工程学，从柏林转学到了慕尼黑。从1928年开始，他在高压技术研究所实习，专门研究高压和真空技术。就在这一时期，他注意到了电子的波动性质，有了用电子束代替光波实现显微放大的想法。
光学显微镜的镜头是用玻璃制作的，而由于工作物质的不同，电子显微镜的镜头则是电磁线圈，因而又叫作“磁极镜头”或“磁靴”。利用电磁线圈，把在真空中入射的电子束聚焦，并加速到高压，使很小物体成像，所放大的像可以在荧光屏上观看。
1931年4月7 日，在导师马克斯·科诺尔的指导下，鲁斯卡研制出世界上第一台用电子束工作的显微镜，当时他年仅25岁。虽然当时所使用的只是一个普通的显像管，放大倍数也只有20倍，其放大功能甚至远远低于当时的光学显微镜，分辨率也不很高，但这个并不被人看好的“雏形”却奠定了电子显微镜的发展方向。

世界上第一台用电子束工作的显微镜
1933年，鲁斯卡以这个发明成果写出博士论文——“关于电子显微镜的磁性镜头”。获得电子学博士学位后，他来到柏林的一家电视机股份公司研发部，从事电子光学方面的工作。
在工作中，他与同事博多·弗里斯开始试探着开发高分辨率的电子显微镜。鲁斯卡设计的电子显微镜是透射式的，由于电子束的波长小，分辨率要比光学显微镜高出数千倍，传统的光学显微镜的分辨率大约是4000埃（1埃是10-8厘米），而电子显微镜的平均分辨率只有1埃。为了达到这一技术要求，除了必要的真空度，还要求电子束充分强，电压充分高，为穿透小的物体，电子束还必须充分的细，这些要求使研发工作的难度极大。
为了集中研究电子光学在工业领域中的开发，1936年鲁斯卡来到西门子-哈尔斯克公司，在他的主持下，西门子公司创建了电子显微镜工业研究所，并于当年研发出第一台能批量生产的“西门子超级显微镜”，并于1938年8月18日获得发明专利权在1939年投入市场。
在“西门子超显微镜”投产的同时，鲁斯卡和弟弟赫尔穆特·鲁斯卡共同开创了它的应用。鲁斯卡的弟弟是位医生，他们首先把电子显微镜开拓到了生物和医学领域。从1940年到1944年，鲁斯卡带领研究所共发表200多篇论文。

鲁斯卡与他发明的电子显微镜
“二战”后，鲁斯卡为西门子公司重建了柏林电子光学研究实验室，并于1949年开始生产电子显微镜，他们的产品扩及到了世界各地1200家客户。由此鲁斯卡接手普朗克协会的弗里茨·哈伯研究所的电子显微镜部，后来独立建成电子显微镜研究所，并以鲁斯卡的名字命名。
1950年，英国工程师查理斯·奥特雷（Charles Oatlay）制造出第一台扫描隧道电子显微镜，把分辨率提高到了10-9米，使许多在光学显微镜下看不到的病毒现出了原形。
由于电子显微镜和扫描隧道显微镜的发现，鲁斯卡、宾宁和海恩里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）共同分享了1986年的诺贝尔物理学奖。