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济南数码显微互动教室/实验室分享-新时代的骄子

2016-09-19 10:46:11 编辑 删除

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当人们意识到用光学显微镜看不到原子般细微的物质,那么就会想法进一步提高显微镜的分辨率,别的办法行不通,那就只能寻找比光波波长还短的光源。还有哪些波的波长比光波还短?当然是电子。注意,是电子,不是家里电线中220 V的电……

1924年,德布罗意提出了波粒二象性的假说,根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象,这被后来的电子衍射试验所证实。接着汉斯•布什又开创了电磁透镜的理论。这些使人们产生了制作显微镜的新想法:为什么不用具有波动性的电子做“光源”,再用电磁透镜来放大呢?于是,1932年德国工程师恩斯特•鲁斯卡和马克斯•克诺尔制造出了第一台透视电子显微镜,这是近代电子显微镜的先导,鲁斯卡也因此获得了1986年度的诺贝尔物理奖。

电子显微镜有着与光学显微镜相似的成像原理,它的神奇之处在于用电子束代替光源,而电磁场也化身成了透镜:高速的电子束在真空通道中穿越聚光镜再透过样品,带着样品内部的结构信息投射在荧光屏板上,最终转化成可见光影像。另外,由于电子束的穿透力很弱,用于电子显微镜的标本,需要用超薄切片机制成厚50纳米左右的超薄切片,稍微厚一点,电子就可能做无用功。如果给飞奔的电子再来一马鞭,电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍,分辨率可以达到纳米级(10-9 m)。

用电子束代替光看起来已经是一个反常规的奇妙主意,但让人想不到的还在后面。1983年,IBM公司苏黎世实验室的两位科学家格尔德•宾宁和海因里希•罗雷尔,发明了扫描隧道显微镜,这是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。这种显微镜比电子显微镜更激进,它的出现完全抛开了传统显微镜的概念。

最神奇的是,扫描隧道显微镜没有镜头!没有镜头也敢叫“显微镜”?没错,这不是山寨的时候出了问题,它原原本本就是这么设计的。扫描隧道显微镜依靠“隧道效应”进行工作,如同一根唱针扫过一张唱片。一根有着原子般大小的探针慢慢通过被分析的物体,当探针距离物体表面很近时(大约在纳米级的距离),电子会穿过物体与探针之间的空隙,形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化,这股电流也会相应改变,通过测量电流我们就能知道物体表面的形状。所以,当电流经过一个原子,便能极其细致地描绘出它的轮廓,通过绘出电流量的波动,我们就可以得到单个原子的美丽图片。

电子显微镜的出现,“神马”细菌、病毒、DNA、蛋白质大分子、原子核、电子云啥的,都得规规矩矩老实听话,要不,来探针下现个原形?

有不一样的发现

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