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显微镜发展与物理学关系的研究
曹冬梅，朱晓敏，杨能勋
(延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000)
摘 要：根据显微镜发展历程，列举了其中最具代表意义的三个阶段：光学显微镜，电子显微镜和扫描隧道显微镜。并指出每一个发展阶段都和物理学的发展密不可分。
关键词：光学显微镜；电子显微镜；扫描隧道显微镜；物理学
显微镜是最基本的光学仪器之一，它在工农业生产、生物、医学、教学及科研领域中有着广泛的用途。到目前为止，显微镜已经发展为一个庞大的“家族”。然而每一类显微镜的出现及其发展都与物理学的发展有着密切的联系。本文通过对显微镜最具代表意义的三个发展阶段的分析，指出了各个阶段的发展与物理学之间的密不可分的关系。
1 光学显微镜
光学显微镜是发展最早，最古老的一类显微镜。据记载最早的光学显微镜是伽利略于1610年发明。把光直接照射到被观察物体的表面，收集反射或者透射光进行观察的显微镜就是光学显微镜，最简单的光学显微镜由两个凸透镜组成，它利用的就是凸透镜的成像原理。
物体通过显微镜后被放大，然而物体的细节并不能因为放大而清晰可见，因为每一台显微镜都有自己的分辨本领。通常用显微镜物面上所能被分辨的最小距离---分辨极限来表征它的分辨本领。显微镜所能分辨的最小距离为：Δy=0.610(λ/nsinu)，其中λ是入射光波的波长，n为物镜与标本之间媒质的折射率，u为物点发出的光线对物镜边缘所张锥角的一半，nsinu称为物镜的数值孔径。即显微镜的分辨极限与物镜的数值孔径和入射光的波长有关。因此，提高显微镜分辨本领的方法之一是增大物镜的数值孔径，如通常采用的物理方法油浸物镜，它同时增大了n和u值，使分辨极限值进一步减小。
提高分辨本领的另一种方法是从物理的角度来寻找波长更短的入射光。若用波长较短的紫外光照明，可以把分辨本领提高一倍多。用软X射线入射时，可以把分辨本领提高上百倍。
但是光学显微镜的分辨本领从根本上受到入射光波长的限制。1924年DeBroglie提出微观粒子也具有波动性，这种波称为德布罗意波。德布罗意波假说的提出为电子显微镜的发明奠定了坚实的理论基础。1926年H。Bush发表了关于运动电子在轴对称磁场中的运动轨迹的实验结果，结果表明轴对称的磁场可会聚电子束，并指出这种电子光学服从于几何光学定律，使电子显微镜的发明成为了可能。
2 电子显微镜
1932年Rushka等人根据电子光学与光学的相似性，并参考光学显微镜的结构，在德国柏林大学成功制造了第一台电子显微镜。与光学显微镜的显著区别是电子显微镜用电子束代替了光束，摆脱了光波波长对显微镜分辨本领的制约因素。电子束在10KV的加速电压下，其物质波波长约为0。12nm，虽然电子显微镜的孔径数只有0。02，但实际分辨距离可小至1nm左右，大大地提高了分辨本领。与光学显微镜相似之处在于电子显微镜也有会聚镜、接物镜和接目镜，但它们不是光学透镜，而是静电透镜或磁透镜。所有这一切都有赖于物理学在这一方面的发展。
其中的电磁透镜是利用磁场对运动电子施加的洛仑兹力，使得电子束会聚或发散。其原理与电子示波管中的静电透镜类似。如图3所示，均匀磁场B沿X轴方向，电子从X轴上O点向各个方向入射，假设电子的速度方向与B成α角。在洛仑兹力的作用下，电子的运动轨迹为一螺旋线。经过一定时间后，电子又回到轴线上O′点。那么，由O点发出的电子束中速度值相同而α不同的电子受洛仑兹力作用会聚于轴上同一点O′，则电磁透镜对电子束的作用等效于凸透镜对光线的作用，O′就是O点的像。虽然均匀磁场能使电子束会聚，但没有放大作用，像与物一样大小。
图1 电子在匀强磁场中的运动
实际中应用得更多的是短线圈产生的非匀强磁场的聚焦。在电磁透镜中磁场集中在电磁铁两极之间的较小区域，这种非均匀磁场对电子束有较强的会聚作用，并能缩短焦距，因而有放大作用。通过改变电磁铁线圈中的电流，则可以改变电磁透镜的放大率，这便是电磁透镜的优点。
随着科学技术的发展以及人们对电子显微镜的多样化需求，除透射式电子显微镜(TEM)外还发明了扫描电子显微镜(SEM)等。扫描电子显微镜利用电视方式成像，使图像有显著的立体感。电子显微镜的出现使人类的洞察力提高了好几百倍，不仅看到了病毒，而且看见了一些大分子。但是受电子显微镜本身的设计原理和现代加工技术手段的限制，它的分辨本领接近极限，要进一步研究比原子尺度更小的微观世界必须要有物理概念和原理上的根本突破。
3 扫描隧道显微镜
1978年，一种新的物理探测系统———扫描隧道显微镜被德国学者宾尼和瑞士学者罗雷尔系统地论证了，并于1982年成功制造。这种新型的显微镜，横向分辨率达到0.01nm，纵向分辨率达到0.001nm，使单个原子的操作成为了可能。
扫描隧道显微镜(STM)是利用物理理论中的量子力学隧道效应。根据量子力学原理，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，两者的电子云略有重叠，若在两极加上电压，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成隧道电流。这种电子穿过势垒的现象就是隧道效应。隧道电流的大小与针和样品之间的距离S以及样品表面的平均功函数有关[8]。当针尖在样品表面上方扫描时，即使表面的起伏只有原子尺度，也将通过其隧道电流显示出来，输入电子计算机在屏幕上显示出样品的表面形貌。
在扫描隧道显微镜(STM)原理的基础上，结合各个领域的新要求，发明了一系列新型显微镜。如原子力显微镜(AFM)、激光力显微镜(LFM)、扫描热显微镜、扫描隧道电位仪(STP)等等。这些新型显微镜的发明为探索物质表面或界面的特性，如表面不同部位的磁场、静电场、热量散失以及在扩大可测样品范围方面提供了有力的工具，为物理学的进一步发展奠定了基础。
总之，物理学领域中光学凸透镜的出现为普通光学显微镜的发明铺平了道路。德布罗意波的提出为电子显微镜的发明实现了理论上的突破。量子力学中的隧道效应在扫描隧道显微镜中得到了充分的体现。显微镜的每一个发展阶段都源于物理学领域中新概念和新事物的发生，进一步说明了它们之间密不可分的联系。
二百多年来，人类一直以不断提高显微镜分辨本领而努力创新，除了这里提到的最具代表意义的这三种类型外，与扫描隧道显微镜几乎同时诞生的还有近场扫描光学显微镜(NSOM)，以及后来的场离子显微镜。近场光学显微镜是利用了物理学中的全反射现象，在全反射发生时在介质界面的另一侧(样品)有隐失场存在，用探针通过隐失场耦合从而获得样品信息。从中也可以看出近场扫描光学显微镜的发展与物理学紧紧地联系在一起。当然，近场扫描光学显微镜的出现为人们了解近场光谱提供了一种有效的测量手段。随着物理学和人们需求的进一步发展，相信将会有更多新技术的显微镜问世。
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