电子显微镜的发明

普通光学显微镜可以提高和改善透镜的性能，使放大倍数达到1000-1500倍，但不会超过2000倍。这是因为普通光学显微镜的放大能力受到光波长的限制。光学显微镜利用光来观察物体。为了看到一个物体，物体的大小必须大于光的波长，否则光会“四处传播”。理论研究结果表明，普通光学显微镜的分辨率不超过200毫米。有些人使用波长比可见光短的紫外线，放大倍数不超过一倍。如果你想看到最小的物质单位——原子，光学显微镜的分辨率差3-4个数量级。为了从更高的层次研究物质的结构，我们必须找到另一种方法来制造功能更强的显微镜。

有些人想象使用波长比紫外线短的x光透镜。

20世纪20年代，法国科学家德布罗意发现电子流也有波动性。它的波长与能量有明确的关系。能量越大，波长越短。例如，当被1000伏特的电场加速时，电子的波长为0.388埃，而当被100000伏特的电场加速时，电子的波长为0.0387埃。因此，科学家想知道电子束是否能代替光波使用。这预示着电子显微镜即将诞生。

用电子束制造显微镜的关键是找到一个能聚焦电子束的透镜。光学透镜不能会聚电子束。

1926年，德国科学家波许提出了一个关于电子在磁场中运动的理论。他指出:“轴对称磁场充当电子束的透镜。”这样，波许从理论上解决了电子显微镜的透镜问题。对于电子束来说，磁场显示了透镜的功能，所以被称为“磁透镜”。

德国柏林科技大学的年轻研究员卢斯卡在1932年制造了第一台电子显微镜——一种改进的阴极射线示波器，成功地获得了铜网的放大图像——这是由加速电压为70，000、初始放大倍数仅为12倍的电子束形成的第一张图像。虽然放大率可以忽略不计，但它证明了电子束和电子透镜可以形成与光学图像相同的电子图像。

经过不断改进，卢斯卡在1933年制造了一台二次放大电子显微镜，获得了10，000倍于金属箔和纤维的放大倍数。

1937年，应西门子的邀请，卢氏建立了超显微镜科学实验室。1939年，西门子生产了世界上最早的分辨率为30埃的实用电子显微镜，并将其投入批量生产。

电子显微镜的出现将人类的洞察力提高了数百倍。不仅可以看到病毒，还可以看到大分子，甚至可以看到特定类型材料的特殊制备样品中的原子。

然而，受电子显微镜本身的设计原理和现代加工技术的限制，其分辨能力已接近极限。为了进一步研究比原子尺度更小的微观世界，必须在概念和原理上有根本性的突破。

1978年，德国学者宾尼格和瑞士学者劳雷尔系统地演示了一种新的物理检测系统——“扫描隧道显微镜”，并于1982年成功制造。这台新显微镜的放大倍数可达3亿倍，两点之间的最小可分辨距离是原子直径的1/10，这意味着它的分辨率高达0.1埃。

扫描隧道显微镜采用全新的工作原理。它利用电子隧穿现象，将样品本身作为电极，而另一个电极是一个非常尖锐的探针。将探针移近样品，并在两者之间施加电压。当探针和样品表面之间的距离只有几十埃时，由于隧道效应，探针和样品表面之间将产生隧道电流，并且该隧道电流将保持不变。如果表面有轻微的波动，恐怕只会有原子大小的波动。它还会将穿透电流改变数万倍。这种带有原子结构的信息可以被输入到电子计算机中，并被处理以在屏幕上显示物体的三维图像。

鉴于卢斯卡发明了电子显微镜以及宾尼格和劳雷尔在设计和制造扫描隧道显微镜方面的成就，瑞典皇家科学院决定将1986年诺贝尔物理学奖授予他们三人。