显微镜的出现

我们肉眼能看到的物体都是比较大的，小到一定的程度，它就无能为力了。谁有本事看到指甲垢中的细菌、病毒呢？谁又有本事瞧见河水中的微生物？千百年来，人类对周围的微观世界真可说是“视而不见”。

确切地说，“放大镜”的科学名称应该叫“凸透镜”，它是一块有一个面或两个面凸起呈弧形的透明玻璃片。古希腊人和中世纪的阿拉伯人都知道，用这种放大镜可以看清楚物体的细节处，用它还可以通过聚焦太阳光而取火呢，因此，他们又称它为“取火镜”。

当然，仅仅能将物体放大一点还不算希罕，要是能把平时用肉眼看不见的物体放大到看得见了，才真正有意思呢！这种有“显微”作用的“显微镜” 最早出现在荷兰。那里的人们很早就开始磨制玻璃和宝石了，这种专门技术经过几个世纪的流传，到 16 世纪已经相当成熟了。

1590 年，在荷兰的米德尔堡，有一个眼镜制造商名叫扎哈里耶斯·詹森。詹森和他的妻子在米德堡开设了一家遐迩闻名的眼镜制造工场，由于詹森磨制镜片的技术精湛，待人和气热情，因此，很受顾客的欢迎。

在詹森的工作室兼营业室的架子上，陈列着他精心制作的各种杰作：有镶嵌绿宝石的眼镜架，有雕刻着花纹的眼镜，当然更多的还是大大小小、厚厚薄薄、形形色色的眼镜镜片。每一件杰作制造出来以后，都少不了他的妻子对它们作一番“评头论足”，严厉的妻子常常使詹森感到十分难堪。

一天晚上，詹森又像往常那样在工作台上摆满了家什，他的妻子则在厨房内忙着准备美味的晚餐。

詹森这天兴致所至，做了 2 个圆筒，一个圆筒的一端嵌着一块双凸透镜，

另一个圆筒的一端嵌着一块双凹透镜。他手拿着这 2 个圆筒左右比试着，突然，他发现从双凹透镜前看自己放在双凸透镜一端的手指好像粗了很多。他又去捉了一只小甲虫放在下面观察：小甲虫确实变大了！

“亲爱的，快来看啊！”詹森兴奋地向厨房大声叫嚷，“我又制造了一件宝贝。”

妻子干完了手中的活，系着围裙走进了詹森的工作室。

“什么宝贝呀？让我看看！”她拿过詹森手中的圆筒看了起来。“我以为你发现了什么新大陆呢！原来是这玩意儿，不稀奇！不稀奇！要我说呀，如果能将远处的东西放大，看得清楚，那才叫稀奇呢！近处的东西，即使放大看，也没什么意思，眼睛直接看那个小甲虫，不也看得清清楚楚楚吗？”

詹森觉得妻子的话不无道理，“我应该使它看清眼睛看不清的东西，对！这才算稀奇。”经过一段时间的琢磨，他终于造出了能够看清很小物体的显微镜。今天，米德尔堡科学协会仍然保存着一架镜筒长 18 英寸、直径约 2 英寸的显微镜，据说这就是詹森制造的。

1665 年，30 岁的胡克在化学家波义耳的实验室里当一名助手。工作之余，胡克常常喜欢自己干一点事情，改制显微镜便是他的业余爱好之一。他用他改制的显微镜来观察各种物体的放大形象，同时，也用来测试显微镜的放大效果。

一天晚餐过后，胡克又端出了他的宝贝显微镜，拿出一小片木炭进行观察。接着他又拿出一小片软木塞片放到了显微镜底下。

“咦，这是什么？”胡克发现软木塞片有着其他材料所没有的结构，他仔细地进行了观察。“它看上去全部是多孔多洞的，很像一只蜂窝，但是这些蜂窝并不很深。应该给这些蜂窝起个名字，叫它什么好呢？嗯⋯⋯对！就叫‘细胞’吧！”

胡克所指的“细胞”其实是那些一度被活的物质所占有过的小格子。从此以后，“细胞”一词就用来描述生命的基本结构单位，并且一直沿用至今。以后，胡克又观察过萝卜、芜菁等其他植物，也观察到了它们所具有的类似的细胞结构。只是胡克对生物学的兴趣不大，因此，很快他就不再对细胞进行深入研究了。不过，胡克对显微镜的改制，使得显微术广为流传开来；他还将他观察到的许多东西汇编成一本书，书名叫作《显微图志》。这本书中有 83 页插图，它记录下了人类最早发现细胞的许多珍贵资料，还记录了胡克观察雪花晶体结构的图形，以及微小的化石生物的结构。

胡克使显微镜从玩具变成了科学仪器，他的作用犹如伽利略将望远镜从对准枝头小鸟到指向茫茫星空一样。

几乎与胡克同时期的列文虎克，于 1660 年 28 岁时，在德耳夫特谋得了该城郡长总管的职务。列文虎克虽然跻身政界，身居要职，但他仍保留着自己从小培养起来的嗜好——磨制镜片。列文虎克研制的显微镜结构十分简单，严格地说它只是一种放大镜。他研制的显微镜的特点是将一个凸透镜装在一块铜板上，再用一个凹镜使光聚焦在所要观察的物体上。

列文虎克磨制了 400 多块镜片，许多镜片面积很小，有的甚至比针尖大不了多少。列文虎克通常将磨制好的镜片夹在两层钻有小孔的铜片之间，然后将铜片铆在一起，在铜片上还有微调器可以调节焦距。列文虎克就是使用这种自制的显微镜于 1674 年开始观察微生物和原生动物的。

第 2 年，列文虎克通过显微镜首先发现了原生动物，轮虫、滴虫、细菌等，它们的长度虽然很小很小，但是，它们确实是活的，是有生命力的东西。

以后，列文虎克又发现了其他许多东西。

他将牙齿缝中积留的牙垢取下来，用水稀释以后，首次看到了微生物；他将蝌蚪的尾巴放在显微镜下，观察到了 50 多处微细血管中的血液回

流，证明了动脉和静脉实际上是一根连续的血管；

他将雨水和泥水取来，也在其中发现了微小的“动物”，这些小“动物” 还能沾在漂浮于空气中的尘埃上随风飘扬呢；

列文虎克的这些发现，在生物学史上开辟了一个崭新的研究领域，他成了在显微镜下观察到微生物和原生动物的第一个人。

以后，列文虎克的大部分显微镜按照他的遗愿都赠给了英国皇家学会，至今，这些珍贵的仪器仍然保存在博物馆中。

到了 19 世纪 20 年代，科学家们终于研制成功了消色差显微镜，为观察细胞提供了有力的工具。1938 年，德国植物学家施莱登发现了植物细胞；第二年，德国动物学家施旺发现了动物细胞。这当然都是在显微镜下才取得成功的。在此基础上，一门新科学——细胞科学建立了。

上面我们说的显微镜都属于光学显微镜，它通常是由用玻璃磨成的透镜组合在一起使物体放大的。第一块透镜产生物体的放大像，再用第二块透镜来观察这个放大了的像。但是，光学显微镜并不能无限地放大物体，尽管人们在它发明之后的 300 年中作了种种努力——透镜越磨越光，设备越制越

精。但是，遗憾的是，光学显微镜的有效放大率始终没有突破 2000 倍这个极限！

早在 19 世纪末，德国一位名叫阿贝的光学家就认为，光学显微镜的分辨本领大约是使用光线波长的一半。既然光线的波长可以影响分辨本领，那么如果使用波长短的光线来作光源，不就可以把显微镜的分辨本领提高一些了吗？分辨本领高了，放大倍数自然也就提高了嘛！当时，科学家已经知道紫外线、X 射线、γ线的波长要比光波短。经过多年的努力，在 20 世纪初出现了紫外线显微镜，后来又出现了 X 射线显微镜，但是并没有人马上联想到要制造电子显微镜。

1924 年，法国科学家德·布洛依证明了任何一种粒子，当它们在快速运动时，必定都伴有电磁辐射，辐射波的波长与粒子的制裁量及粒子运动的速度成反比。这真是一个好消息：如果能用高速运动的电子来作光源而发明出一台电子显微镜的话，那该是多么振奋人心啊！可惜，德·布洛依的证明并没有引起人们的重视。

那时，许多科学家都在从事高压阴极射线示波器的研究。1924 年，一个名叫加柏的科学家在德国柏林进行这项研究时，无意间制造出了一种短焦

距、有会聚能力的线圈，然而，加柏不能解释为什么这种线圈具有会聚作用，也不知道这样的线圈有什么用处。

2 年以后，又一位德国科学家布施发现，加柏制造的线圈对电子可以起透镜的作用。他发现高速运动的电子在电磁场的作用下会发生折射，并且能被聚焦，就如同普通的可见光通过透镜被折射聚集一样。然而，这个重要的发现同样没有及时应用到制造电子显微镜方面来。

德·布洛依和布施的两个发现，为电子显微镜的发明指出了方向，但是，

谁是幸运的发明者呢？

布施的发现引起了许多人的兴趣，柏林技术大学于 1928 年成立了一个专门研究小组来研究高压阴极射线示波器。这个小组由一些大学生和研究生组成，为首的是克诺尔，其中刚从大学毕业不久的 24 岁的鲁斯卡专门负责有关电子光学部分的工作，他的第一件工作就是系统地研究磁场的光学行为。

经过鲁斯卡的努力，他发现经过电子光学放大 12 倍后得到的钼格的像和用玻璃透镜得到的同样放大倍数的像没有什么区别，这个结果使年轻的鲁斯卡感到十分兴奋，他决心把工作深入下去，并且作为计划报告提交给技术大学的学部，从而奠定了把磁透镜进一步发展为电子显微镜的基础。

1931 年 4 月 7 日星期二，虽然这一天阴雨蒙蒙，但是对鲁斯卡来说，却是终生难忘的。

早晨，与往常一样，吃过早餐，喝了一杯咖啡，鲁斯卡便走进了自己已经工作了三四年的实验室。这一天，他将做一个实验：将 2 个磁透镜组成的电子光学光具座，对铂金网格进行二级放大。原来他认为这个实验不会很顺利，但是事实却使他大为惊讶：他成功地放大了 17 倍。

“哇！这真想不到，磁透镜竟然和光学透镜一样，不仅对光束具有折射聚焦作用，而且经过组合还有放大作用呢！”从这一天起，鲁斯卡便献身于电子显微镜的研制工作了。

鲁斯卡的成功仅仅是初步的，还存在很多困难需要解决，例如在电压很高的情况下，生物样品一放入镜体内就会受到高强度电子束的照射，从而造成严重的辐射损伤，使得图像很难被真实地记录下来。

在这种情况下，克诺尔打退堂鼓，转而去研究电视了，而鲁斯卡仍然坚持着，他把所有的时间和精力都贡献给了电子显微镜的研制工作。到 1933 年底，功夫不负有心人，鲁斯卡终于建成了一台真正的电子显微镜，它的最高放大倍数达到 12000 倍，为光学显微镜的 6 倍。而且，鲁斯卡想了一个巧妙的办法来解决辐射损伤难题：他在镜内装了一个旋转台，一次可装好几个样品，当一个样品被电子束毁坏时，另一个样品很快就可取而代之。

虽然鲁斯卡费尽了心血，却得不到各方面的支持，他不得已也忍痛割爱，转而和老同事克诺尔一起研制电视去了。

就在电子显微镜研制工作濒临中断的时候，马顿在布鲁塞尔挽救了这个令人丧气的局面。1933 年底以前，马顿构造成功了第一台磁式电子显微镜，利用这台仪器他真实地观察了一些生物样品，并且首次拍摄到某种植物根的厚切片的电子图像，这在当时来说，真是一个了不起的成就！在此基础上，马顿又成功地制造了第二台电子显微镜，他用这台显微镜观察了各种各样的生物材料，并且用事实证明：电子显微镜是可能具有实用价值的！

自从 1933 年鲁斯卡转到电视研究以后，许多国家都开展了电子显微镜的研制工作。英国也是其中之一。

1936 年前后，英国科学家马丁说服了英国皇家学会，花了一笔经费制成

了一台光学电子显微镜，马丁在这台仪器上全面比较了光学显微镜和电子显微镜的性能。尽管马丁制成的电子显微镜操作起来相当不便，而且又确实存在样品的辐射损伤，再加上在电子显微镜和光学显微镜之间需要有移动样品的机械装置，使得它的设计更加复杂，然而得到的实验结果却清楚地表明：电子显微镜是有实用价值的，可以进行大批量生产。可惜当时正临近第二次世界大战，许多公司都要生产雷达，所以电子显微镜的商品生产就被搁置一旁了。

在这一时期内，鲁斯卡也始终期望着能早一天制造出一台真正实用的电子显微镜，可以供任何一个实验室使用。在马顿等人工作的激励下，人们对电子显微镜的前途已耳濡目染，所以鲁斯卡重新又得到了财政上的支持，他便立即着手电子显微镜的研制工作，重点放在改进仪器的设计和简便操作性能方面。

当鲁斯卡正要开始工作时，他还幸运地得到了他的兄弟赫尔穆特的大力协助。赫尔穆特是个医生，在医学界小有名气，生活富裕舒适，但他毅然放弃了这一切，决心和鲁斯卡一起把电子显微镜试用到医学上，以解决光学显微镜不能解决的疑难问题。经过几年的艰苦努力，鲁斯卡终于在 1938 年研制成功了世界上第一台真正实用的透射电子显微镜。次年，德国的西门子—哈尔司克公司以这台电子显微镜为样机，生产了世界上第一批商品电子显微镜，有 40 台左右，并在二次大战后运往其他国家。

到这时为止，电子显微镜便正式问世了，人类从光学显微镜时代进入了电子显微镜时代。

从 1938 年至今，电子显微镜大致经过了 4 个发展阶段。第一个阶段从

30 年代到 50 年代初，仪器结构相对简单，只由 1 个聚光镜和 2 个成像透镜组成，操作维修相当复杂，因此应用并不普遍，主要局限在科学水平比较发达的国家；第二个阶段从 50 年代初到 60 年代初，电子显微镜的性能有了很

大改进，由 2 个聚光镜和 3 个成像透镜组成，操作维修也比较简单了，很多

国家都能够生产制造，使它的应用范围迅速扩大；第三个阶段从 60 年代初到

70 年代初，一方面透射电子显微镜达到了比较完善的程度，另一方面它的种类增多，出现了扫描电子显微镜、超高压电子显微镜、分析电子显微镜等等。电子显微术也如雨后春笋般蓬勃发展，如电子显微图像的光学与计算机处理技术、X 射线显微分析技术等；第四个阶段从 70 年代初至今，仪器本身性能进一步完善，并且能直接观察重金属原子的成像，自动化程度更加提高。并且出现了各种专用电子显微镜，如扫描透射电子显微镜、光学电子显微镜、全息电子显微镜等，电子显微术与物理、化学、数学、生物、计算机科学等更加相互渗透、融合。

电子显微镜成了许多学科中不可缺少的工具。

有了光学显微镜和电子显微镜，当然使人类看到了层层深入的微观世界，但是，离开“看”到原子还相距很远。

1982 年，国际商用机器公司苏黎世实验室的科学家宾尼和罗雷尔发明了真空条件下工作的扫描隧道显微镜，使人类第一次“看”到了物质表面的原子排列状态。为此，他们荣获了 1986 年的诺贝尔物理学奖。

扫描隧道显微镜能将原子图像放大上百亿倍，因此，可以直接观察物质表面的奇妙景色。在微电子、半导体生产工艺中，科学家正是利用这一火眼金睛深入了解半导体材料表面结构及表面粗糙度的。从 1984 年开始，扫描隧道显微镜就被用于真空、常压大气、室温、低温、蒸馏水、溶液、电解液等环境下研究不同物质的表面结构。

1991 年 11 月，我国科学家运用自行研制的扫描隧道显微镜，观察了用德国重离子加速器实验中心高能带电重金属离子轰击的天然二硫化钥样品，清晰地看到了正常原子与辐射损伤坑共存的表面原子形貌图，这在世界上还是首次。1993 年 8 月，第 8 届扫描隧道显微学国际年会在我国北京召开，它给我们带来了有关微观世界的更多信息。