(二)電子顯微鏡的誕生

1．發(fā)現(xiàn)電子束的波長遠比可見光短

埃貝的理論和實驗表明：利用波長愈短的波，分辨本領就越高，指導了人們的思維。

進入20年代后，法國科學家德布羅意發(fā)現(xiàn)電子流（電子束）也具有波動的性質(zhì)。這種電子波的波長遠比光波的波長短，也比X射線的波長短。于是人們就想到能否用電子束來代替光波。即與現(xiàn)代電視機中陰極射線管（顯像管）發(fā)射出來的陰極射線相同的東西。經(jīng)分析試驗，電子束的運動速度與電壓的平方根成正比，所以電子束的波長與電壓的平方根成反比。

例如：                                              

注：波長短正是電子顯微鏡得以打破光學顯微鏡分辨本領極限的關鍵所在。

2．發(fā)現(xiàn)電子束的波動特性只與電子束的粒子性有，而與波動性無關。

   電子是帶有負電荷的粒子，而且電子的質(zhì)量極小，幾乎不受引力的作用，運動僅受電子所處位置上的磁場和電場的強度支配而改變其前進道路。

   1926年，德國科學家蒲許指出：“具有軸對稱性的磁場對電子束說來起著透鏡的作用。"蒲許從理論上設想了可利用磁場作為電子透鏡。即當線圈中通以電流時，線圈周圍將形成磁場。從線圈中心軸上某一點發(fā)出的電子，在磁場中沿螺旋線軌跡前進，然后會聚在中心軸的其他一點上。這對于電子說來，磁場顯示出透鏡作用，又稱為“磁透鏡"。今日的電子顯微鏡中的磁透鏡，在線圈外面包有熟鐵制的屏蔽外罩，線圈內(nèi)側(cè)裝入經(jīng)過高精度加工鈷鐵的小極靴，在小間隙（直徑3毫米）中局部形成具有軸對稱性的強磁場，就成了一具短焦距透鏡。假設從透鏡到光源距離為a，透鏡到像距離為b，則光學透鏡一般性公式：1/a+1/b=1/f（f—焦距），對于磁透鏡也是成立的。這也是蒲許zui初導出的。

3．電子束成像原理和電子顯微鏡的構造

（1）    電子束成像原理

①電子束是一種帶電的粒子流，空氣對于電子束也起著明顯的阻礙作用，為此必須使電子顯微鏡內(nèi)部保持真空。②電子束的波長是隨加速電壓的波動而不斷變動的，因此，為保持電子束波長的單一性，必須使電子顯微鏡的電壓波動降低到十萬分之一以下。電壓的穩(wěn)定程度，將是獲得高分辨本領映象的一個重要因素。③電子束的成像，即電子像中的被檢體的濃淡差（或稱反襯度）與光學像的反襯度（亮度差或色度差）有本質(zhì)上的不同。在電子像中，不考慮吸收問題，因為電子顯微鏡用的電子束是單色的，與用單色光成像相仿，物質(zhì)與電子束之間不產(chǎn)生色的反應。所以，在像中顯現(xiàn)出來的僅僅是濃淡而已。而電子濃淡的差別，是由于被檢物對電子產(chǎn)生“散射"而形成的，即入射電子與物質(zhì)原子碰撞后產(chǎn)生散射，被檢物的不同部位對電子來說有不同的散射度，就形成了電子像的濃淡。物理學上可知，電子束的散射度是由物體的厚度與密度之積，以及加速電壓的大小來決定的。

（2）    電子顯微鏡的構造

電子顯微鏡本體構造，原理上與光學顯微鏡相似。由三組透鏡構成：即聚光鏡、物鏡和投影鏡（目鏡）組合而成。

聚光鏡——用來集聚攏電子束和調(diào)節(jié)電子束的程度。

物  鏡——用來獲得被檢物的正確放大像，可說是顯微鏡的心臟。

投影鏡——起著把由物鏡放大的像進行再次放大的作用，由它造成觀察用或攝影用的zui終像。

另外，（?。┙裉斓碾娮?FONT color=#666666 size=3>顯微鏡，多數(shù)都使用雙重聚光鏡。*鏡使電子束變得更為集中；第二鏡使電子束投射到樣品上。好處是在樣品表面只有直徑為幾個微米或更小的面積上被電子束照射到，在10萬倍直接放大率下，即便電子束的能量很大，而樣品的溫度上升仍然很小，從而可以避免對樣品的損傷。

     （ⅱ）在物鏡和投射鏡之間還裝有一個透鏡：“中間鏡"。調(diào)節(jié)中間鏡的勵磁電流，放大率便可在很大范圍內(nèi)（100倍到20萬倍之間連續(xù)地改變）。中間鏡的發(fā)明，使直接放大率的可變范圍擴展到2000倍的程度。它還可以作為電子衍射照相機，能獲得物體微小部分（例如僅僅在直徑1微米或更小范圍內(nèi)）的顯微衍射像。這是因為它能用在顯微鏡外部調(diào)節(jié)的“視野限制光闌"調(diào)整光闌的大小，選出放大像的一部分。

所以在物鏡、投影鏡以外再配置中間鏡的所謂“三透鏡"系統(tǒng)電子顯微鏡 ，它不僅是一具電子顯微鏡，同時也是一具的電子衍射裝置。

其他尚需配置：

①鏡筒內(nèi)部必須保持高度真空的真空泵；

②聚光鏡前裝置能發(fā)射電子束的電子槍；

③通常用5-10萬伏高壓電源和能使電子束的波長單一化的高壓電源穩(wěn)定裝置；

④電子透鏡用的勵磁電源的穩(wěn)定裝置；

⑤觀察用的熒光屏和裝有感光板的照相室；

⑥樣品室的單獨抽真空裝置；

⑦根據(jù)需要也可對樣品加裝冷卻裝置或加熱裝置。

         附圖：

         圖1.光學顯微鏡與電子顯微鏡的比較。

         圖2.電視電子顯微鏡示意圖。

4．電子顯微鏡的觀察極限

    按理論計算，電子顯微鏡分辨本領的極限在3埃左右。此值與2~3種金屬原子的大小處于同一數(shù)量級，這就意味著用電子顯微鏡有可能直接看到原子。

    市場上出售的電子顯微鏡，根據(jù)其分辨本領可分為：超高分辨本領級、高分辨本領級、普通分辨本領級三等。

    超高分辨本領級：達到原子水平的分辨本領，可把原子一個一個分別開觀察。

    高分辨本領級：只能把數(shù)個原子組成的集團作為一個點來觀察。

普通分辨本領級：大于20埃的分辨本領。

實驗室獲得電子顯微鏡分辨率本領理論極限值的意義：僅僅考慮電子束和透鏡系統(tǒng)而推算出來的。作為實驗室必須考慮到鏡體的振動，樣品漂移的穩(wěn)定性，外部磁場的影響，樣品和透鏡光闌的“污染"，合軸調(diào)整，消像散等許多因素。

5．電子顯微鏡的研制成功簡歷：1932年德國柏林工科大學高壓實驗室指導老師克諾爾與年輕的研究員魯斯卡（E.Ruska）以蒲許的理論基礎開始探索電子顯微鏡實現(xiàn)的可能性，用陰極射線示波器裝上了能起到透鏡作用的線圈，成功地得到了銅網(wǎng)的放大像——*次由電子束形成的電子像。當時加速電壓為7萬伏，zui初放大率僅12倍。盡管放大率微不足道，但它雄辯地用實驗證實了使用電子束和磁場透鏡可形成與光學像相同的電子像。從此，電子顯微鏡法便被正式確立了。

1933年科技工作者提出了用“極靴"來代替前述的長線圈，從而制成了短焦距電子透鏡，放大率自然得到了提高。把一個短焦距透鏡作為物鏡，另一個短焦距透鏡作為投影鏡，組合制成了二極放大的電子顯微鏡，魯斯卡在1933年獲得了金屬箔和纖維的1萬倍的放大像。此時，電子顯微鏡在放大率上已超過光學顯微鏡，但有決定意義的分辨本領，還只剛剛達到光學顯微鏡水平。

1937年柏林工科大學的克勞塞和穆勒繼承了魯斯卡的工作，完成了超越光學顯微鏡性能的豐功偉業(yè)，對細菌和膠體成功地拍了照，獲得了250埃的分辨本領。

同年法國西門子公司從柏林工科大學邀來了魯斯卡，請他專門從事電子顯微鏡的研制工作。1939年西門子公司制造的分辨本領達到了30埃的世界上zui早的實用電子顯微鏡進入市場。

應該說，從光學顯微鏡的發(fā)展到電子顯微鏡的誕生，德國的埃貝（蔡司光學工廠的創(chuàng)立者，*個看出光學顯微鏡極限和在1878年對未來顯微鏡的信念和推想的人）以及德國的科技工作者作出了很大貢獻。