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第32章 电子显微镜的发明

1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院的恩斯特?鲁斯卡(ErnstRuska),以表彰他在30年代初发明了第一台电子显微镜。

研制电子显微镜的历史实际上可以追溯到19世纪末。人们在研究阴极射线的过程中发现阴极射线管的管壁往往会出现阳极的阴影。1987年布劳恩设计并制成了最初的示波管。这就为电子显微镜的诞生准备了技术条件。1926年布什(H.Busch)发表了有关磁聚焦的论文,指出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦,如同光线通过透镜时可以聚焦一样,因此可以利用电子成像。这为电子显微镜做了理论上的准备。限制光学显微镜分辨率的主要因素是光的波长。

由于电子束波长比光波波长短得多,可以预期运用电子束成像的电子显微镜得到比光学显微镜高得多的分辨率。

恩斯特?鲁斯卡1906年12月25日生于德国巴登市海德堡。他的父亲是柏林大学历史学教授。

1925~1927年,鲁斯卡上中学时就喜欢工程,并在慕尼黑两家公司学习电机工程。后随父到了柏林,1928年夏进入柏林恰洛廷堡的柏林技术大学学习,在大学期间参加过高压实验室工作,从事阴极射线示波管的研究。从1929年开始,鲁斯卡在组长克诺尔(M.Knoll)的指导下进行电子透镜实验。这对鲁斯卡的成长很有益处。

1928~1929年期间,鲁斯卡在参与示波管技术研究工作的基础上,进行了利用磁透镜和静电透镜使电子束聚焦成像的实验研究,证实电子束照射下直径为0.3毫米的光缆可以产生低倍(1.3倍)的像,并验证了透镜成像公式。这就为创制电子显微镜奠定了基础。1931年,克诺尔和鲁斯卡开始研制电子显微镜,他们用实验证明了为要获得同样的焦距,使用包铁壳的线圈,其安装的线圈匝数要比不包铁壳的线圈小得多。1931年4~6月,他们采用二级磁透镜放大的电子显微镜获得了16倍的放大率。通过计算他们认识到,根据德布罗意的物质波理论,电子波长比光波波长短5个数量级,电子显微镜可能实现更高的分辨率。他们预测未来的电子显微镜,当加速电压为7.5万伏,孔径角为2×10-2弧度时,衍射限制的分辨率将是0.22纳米。

1932~1933年间,鲁斯卡和合作者波里斯(Borries)进一步研制了全金属镜体的电子显微镜,采用包有铁壳的磁线圈作为磁透镜。为了使磁场更加集中,他们在磁线圈铁壳空气间隙中镶嵌非磁导体铜环,并将铁磁上、下壳体内腔的端部做成漏斗形(磁极靴),使极靴孔径和间隙均减小到2毫米,而且焦距减小到3毫米。1932年3月,波里斯和鲁斯卡将此项磁透镜成果申请了德国专利。

1933年,鲁斯卡在加速电压7.5万伏下,运用焦距为3毫米的磁透镜获得12000倍放大率,还安装了聚光镜可以在高放大率下调节电子束亮度。他拍摄了分辨率优于光学显微镜的铝箔和棉丝的照片,并试验采用薄试样使电子束透射而形成电子放大像。

1934年鲁斯卡以题为《电子显微镜的磁物镜》的学位论文获得柏林技术大学工学博士学位。

1934~1936年,鲁斯卡继续进行改进电子显微镜的实验研究。他采用了聚光镜以产生高电流密度电子束来实现高倍放大率成像,采用物镜和投影镜二级放大成像系统。可是,当时他们的发明并未立即获得学术界和有关部门承认,鲁斯卡和波里斯努力地说服人们,使他们相信可以研制出性能超过光学显微镜的电子显微镜。他们多次到政府和工业研究部门以争取财政支持。经过3年的奔走,1937年春西门子-哈斯克公司终于同意出资建立电子光学和电子显微学实验室。许多青年学者纷纷前来参加研究工作。

恩斯特?鲁斯卡从1937年开始着手研制商品电子显微镜,1938年制成两台电子显微镜,且带有聚光镜,配以具有极靴的物镜及投影镜,备有更换样品、底片的装置,可获得30000倍放大率的图像。恩斯特?鲁斯卡的弟弟哈尔墨特?鲁斯卡(HelmutRuska)和其他医学家立刻用来研究噬菌体等,获得很大的成功。1939年西门子公司制造的第一台商品电子显微镜终于问世。同年,电子显微镜首次在莱比锡国际博览会上展出,引起广泛注意。1940年,在恩斯特?鲁斯卡提议下,西门子-哈斯克公司将上述实验室发展为第一个电子显微镜开放实验室,由哈尔墨特?鲁斯卡任主任。实验室装备了4台电子显微镜,接纳各国学者前来做研究工作,推动了电子显微镜在金属、生物、医学等各个领域的应用与发展。在鲁斯卡工作的影响下,欧洲各国科学家先后也开始了电子显微镜的研究和制造工作。

恩斯特?鲁斯卡及其合作者几十年来孜孜不倦地为改进电子显微镜辛勤工作,为现代科学的发展做出了重要贡献。电子显微镜为人们观察物质微观世界开辟了新的途径。在50年代中期制成的中、高分辨率电子显微镜,能够观察晶体缺陷,促进了固体物理、金属物理和材料科学的发展。在70年代出现的超高分辨率电子显微镜使人们能够直接观察原子。这对于固体物理、固体化学、固体电子学、材料科学、地质矿物学和分子生物学的发展起了巨大的推动作用。

恩斯特?鲁斯卡在1986年获诺贝尔物理学奖一年多后于1988年5月27日在德国柏林去世,他的一生完全贡献于电子显微镜事业。继他之后,不仅有高压电镜和扫描电镜问世,而且还出现了另一种原理完全不同的显微镜,这就是1982年发明的扫描隧道显微镜。扫描隧道显微镜是通向微观世界的又一项有力武器。