显微镜技术的开发创新，加速了纳米时代的进程

(二)电子显微镜的诞生

1．发现电子束的波长远比可见光短

埃贝的理论和实验表明：利用波长愈短的波，分辨本领就越高，指导了人们的思维。

进入20年代后，法国科学家德布罗意发现电子流（电子束）也具有波动的性质。这种电子波的波长远比光波的波长短，也比X射线的波长短。于是人们就想到能否用电子束来代替光波。即与现代电视机中阴极射线管（显像管）发射出来的阴极射线相同的东西。经分析试验，电子束的运动速度与电压的平方根成正比，所以电子束的波长与电压的平方根成反比。

例如：                                              

注：波长短正是电子显微镜得以打破光学显微镜分辨本领极限的关键所在。

2．发现电子束的波动特性只与电子束的粒子性有，而与波动性无关。

   电子是带有负电荷的粒子，而且电子的质量极小，几乎不受引力的作用，运动仅受电子所处位置上的磁场和电场的强度支配而改变其前进道路。

   1926年，德国科学家蒲许指出：“具有轴对称性的磁场对电子束说来起着透镜的作用。"蒲许从理论上设想了可利用磁场作为电子透镜。即当线圈中通以电流时，线圈周围将形成磁场。从线圈中心轴上某一点发出的电子，在磁场中沿螺旋线轨迹前进，然后会聚在中心轴的其他一点上。这对于电子说来，磁场显示出透镜作用，又称为“磁透镜"。今日的电子显微镜中的磁透镜，在线圈外面包有熟铁制的屏蔽外罩，线圈内侧装入经过高精度加工钴铁的小极靴，在小间隙（直径3毫米）中局部形成具有轴对称性的强磁场，就成了一具短焦距透镜。假设从透镜到光源距离为a，透镜到像距离为b，则光学透镜一般性公式：1/a+1/b=1/f（f—焦距），对于磁透镜也是成立的。这也是蒲许zui初导出的。

3．电子束成像原理和电子显微镜的构造

（1）    电子束成像原理

①电子束是一种带电的粒子流，空气对于电子束也起着明显的阻碍作用，为此必须使电子显微镜内部保持真空。②电子束的波长是随加速电压的波动而不断变动的，因此，为保持电子束波长的单一性，必须使电子显微镜的电压波动降低到十万分之一以下。电压的稳定程度，将是获得高分辨本领映象的一个重要因素。③电子束的成像，即电子像中的被检体的浓淡差（或称反衬度）与光学像的反衬度（亮度差或色度差）有本质上的不同。在电子像中，不考虑吸收问题，因为电子显微镜用的电子束是单色的，与用单色光成像相仿，物质与电子束之间不产生色的反应。所以，在像中显现出来的仅仅是浓淡而已。而电子浓淡的差别，是由于被检物对电子产生“散射"而形成的，即入射电子与物质原子碰撞后产生散射，被检物的不同部位对电子来说有不同的散射度，就形成了电子像的浓淡。物理学上可知，电子束的散射度是由物体的厚度与密度之积，以及加速电压的大小来决定的。

（2）    电子显微镜的构造

电子显微镜本体构造，原理上与光学显微镜相似。由三组透镜构成：即聚光镜、物镜和投影镜（目镜）组合而成。

聚光镜——用来集聚拢电子束和调节电子束的程度。

物  镜——用来获得被检物的正确放大像，可说是显微镜的心脏。

投影镜——起着把由物镜放大的像进行再次放大的作用，由它造成观察用或摄影用的zui终像。

另外，（ⅰ）今天的电子显微镜，多数都使用双重聚光镜。*镜使电子束变得更为集中；第二镜使电子束投射到样品上。好处是在样品表面只有直径为几个微米或更小的面积上被电子束照射到，在10万倍直接放大率下，即便电子束的能量很大，而样品的温度上升仍然很小，从而可以避免对样品的损伤。

     （ⅱ）在物镜和投射镜之间还装有一个透镜：“中间镜"。调节中间镜的励磁电流，放大率便可在很大范围内（100倍到20万倍之间连续地改变）。中间镜的发明，使直接放大率的可变范围扩展到2000倍的程度。它还可以作为电子衍射照相机，能获得物体微小部分（例如仅仅在直径1微米或更小范围内）的显微衍射像。这是因为它能用在显微镜外部调节的“视野限制光阑"调整光阑的大小，选出放大像的一部分。

所以在物镜、投影镜以外再配置中间镜的所谓“三透镜"系统电子显微镜 ，它不仅是一具电子显微镜，同时也是一具的电子衍射装置。

其他尚需配置：

①镜筒内部必须保持高度真空的真空泵；

②聚光镜前装置能发射电子束的电子枪；

③通常用5-10万伏高压电源和能使电子束的波长单一化的高压电源稳定装置；

④电子透镜用的励磁电源的稳定装置；

⑤观察用的荧光屏和装有感光板的照相室；

⑥样品室的单独抽真空装置；

⑦根据需要也可对样品加装冷却装置或加热装置。

         附图：

         图1.光学显微镜与电子显微镜的比较。

         图2.电视电子显微镜示意图。

4．电子显微镜的观察极限

    按理论计算，电子显微镜分辨本领的极限在3埃左右。此值与2~3种金属原子的大小处于同一数量级，这就意味着用电子显微镜有可能直接看到原子。

    市场上出售的电子显微镜，根据其分辨本领可分为：超高分辨本领级、高分辨本领级、普通分辨本领级三等。

    超高分辨本领级：达到原子水平的分辨本领，可把原子一个一个分别开观察。

    高分辨本领级：只能把数个原子组成的集团作为一个点来观察。

普通分辨本领级：大于20埃的分辨本领。

实验室获得电子显微镜分辨率本领理论极限值的意义：仅仅考虑电子束和透镜系统而推算出来的。作为实验室必须考虑到镜体的振动，样品漂移的稳定性，外部磁场的影响，样品和透镜光阑的“污染"，合轴调整，消像散等许多因素。

5．电子显微镜的研制成功简历：1932年德国柏林工科大学高压实验室指导老师克诺尔与年轻的研究员鲁斯卡（E.Ruska）以蒲许的理论基础开始探索电子显微镜实现的可能性，用阴极射线示波器装上了能起到透镜作用的线圈，成功地得到了铜网的放大像——*次由电子束形成的电子像。当时加速电压为7万伏，zui初放大率仅12倍。尽管放大率微不足道，但它雄辩地用实验证实了使用电子束和磁场透镜可形成与光学像相同的电子像。从此，电子显微镜法便被正式确立了。

1933年科技工作者提出了用“极靴"来代替前述的长线圈，从而制成了短焦距电子透镜，放大率自然得到了提高。把一个短焦距透镜作为物镜，另一个短焦距透镜作为投影镜，组合制成了二极放大的电子显微镜，鲁斯卡在1933年获得了金属箔和纤维的1万倍的放大像。此时，电子显微镜在放大率上已超过光学显微镜，但有决定意义的分辨本领，还只刚刚达到光学显微镜水平。

1937年柏林工科大学的克劳塞和穆勒继承了鲁斯卡的工作，完成了超越光学显微镜性能的丰功伟业，对细菌和胶体成功地拍了照，获得了250埃的分辨本领。

同年法国西门子公司从柏林工科大学邀来了鲁斯卡，请他专门从事电子显微镜的研制工作。1939年西门子公司制造的分辨本领达到了30埃的世界上zui早的实用电子显微镜进入市场。

应该说，从光学显微镜的发展到电子显微镜的诞生，德国的埃贝（蔡司光学工厂的创立者，*个看出光学显微镜极限和在1878年对未来显微镜的信念和推想的人）以及德国的科技工作者作出了很大贡献。