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原子的学说,从两千多年前的古希腊先贤们那里开始,历经漫长的科研历史长河,终于在上个世纪后半叶才让世人见到她真实的“面貌”。Seeing is believing,百闻不如一见,显微镜的发明体现了人们的这一追求。 清晰的纳米世界,是科研人员追求的梦想和理想境界。
有些数据我们记住会有所帮助,比如,正常情况下,人眼裸识可辨的两点的最小距离大约是50微米,这点有些网络上给的数字偏差较大。50微米大概相当于人头发丝的二分之一粗。
光学显微镜对人类科技的发展的影响可能比同学们想象要大很多,比如人体血液循环理论就是靠光学显微镜验证的,很多的生物学和材料学的基础知识是靠它奠定的。17世纪,没有上过大学的列文虎克的钥匙扣般大小的简式显微镜缔造了那许多“little animals”的神话。科研设备很重要,执着科研的精神才是创新的动力!
左图是列文虎克的简易显微镜,大小跟右图钥匙相仿。
阻挡光学显微镜发展的两大拦路虎是色差和球差。通过凸透镜远光轴的光的焦距小于近光轴的光,这就造成了球差。曲率大的透镜,放大倍数大,但球差越大。球差可以通过采用曲率小,放大倍数低的凸透镜组(为了保持比较大的放大倍数)降低。
衡量显微镜的标准是什么,是能区分距离多近的两点或两线,称为分辨率,不是放大倍数,现在很多淘宝商家宣称光学显微镜放大倍数好几千,放大多大不是我们的目的,我们的目的是放大了且能分辨多细小的物体,不能分辨物体的放大没有任何意义。
另外需要记住的数字,光学显微镜分辨率的理论极限是0.2微米,现代好的光学显微镜已经可以达到(物镜需要浸在油里)。
不同颜色的光在玻璃中的折射率不同,色差是经透镜无法将不同颜色的光(不同波长)都聚焦在同一点的现象。律师出身的霍尔在1733年将冕玻璃做凸透镜和火石玻璃作凹透镜(折射率不同)组合解决了色散问题。外行也能立大功,培养科学的业余爱好值得科技部门的领导推广。
色差产生原理示意图。
球差产生原理示意图。
利用不同冕玻璃凸透镜和火石玻璃作凹透镜解决色差问题。
光学显微镜受可见光波长的限制无法达到更高的分辨率,于是人们又进一步开展了电子显微镜的研究。X射线很重要,但人们无法做出X射线的透镜,于是人们转向电子。电子跟可见光不同,可见光有凸透镜和凹透镜来汇聚和散射光。对电子来说,只有一种,那就是电子凸透镜。这点限制了电子显微镜的设计,为了消除色差,电子显微镜要比光学显微镜困难很多。
TEM的原理跟投影机差不多,不过光源是高亮电子枪做光源,经过电子透镜整形成平行电子束,穿过样品,经过物镜,再经过中间镜和投影镜等电子透镜组放大投影到屏幕上。高真空很重要,因为电子枪发出的电子经高压加速,如果是在大气中,电子会被比电子大得多的空气分子散射。只要在真空中,电子束才能不被干扰,被后续电子透镜很好的折射放大信号。人眼不能像看光学显微镜那样直接面对从物镜过来的光,因为电子束能量非常高,会伤害人的眼睛,所以TEM荧光屏是比光学显微镜多的又一部件。TEM除了可直观观测样品形貌外,还可获得电子衍射谱,可确定晶体是单晶、多晶和非晶。
电子透镜示意图。
投影机(幻灯机)与透射电镜原理示意图。
透射电镜成像光路原理图。
电子显微镜除了具有光学显微镜中的球差和色差外,还存在一些与磁场或电场分布有关的像差,如像散。球差和色差可通过显微镜的设计降低。像散需要观察人员在操作时人为调节。像散的起因是在加工电子透镜时无法将增强磁场的软铁轭加工成完美的圆形,导致透镜中磁场分布不是严格轴对称,电子束在这种磁场中沿螺线轨迹前行时就会偏离理论轨迹,远离透镜轴心的电子束偏离更明显。这导致电子束在透镜后汇聚不是同一点,换句话说像点被畸变扩大了,这种现象就是像散。如金颗粒或碳膜小圆孔等,样品边缘如出现明显的完整的均匀的菲涅尔条纹,说明没有像散,像面上的任意两个垂直方向同时聚焦,聚焦程度一样,这是一个测试技巧。如果有像散,颗粒或碳膜小孔像的不同垂直方向,菲涅尔条纹不均匀,不一致。
- 2020-06-01科学网华东师范大学杜震宇教授加入Aquaculture