书名《清晰的纳米世界》—显微镜终极目标的千年追求第三章：不到

Chapter31书名《清晰的纳米世界》—显微镜终极目标的千年追求第三章：不到长城非好汉—突破纳米极限的电子显微镜引文：1926年到1933年间量子力学的发展，使人类意识到了电子的波粒二相性。电子波的远小于光波的波长成为提高显微镜分辨率的希望所在。ErnstRuska在一度失业的困难时期，仍以极大的热情与‘不到长城非好汉’的执著，坚持追寻突破光学显微镜分辨率的良方。终于与MaxKnoll一道在1929年发明了历史上第一台电子显微镜，开启了人类通往微观世界的第二扇门。------------------------------Ⅲ-1：呼之欲出神秘的病毒如果说17世纪后半期vanLeeuwenhoek用自制的简式显微镜成功地观察到细菌微生物的存在使人类对于生命世界的认识前进了一大步的话，人类所面对的微生物界的第二个重大挑战却使得昀好的光学显微镜也无能为力了。事情源于19世纪下半叶，德国著名医生RobertKoch(1843-1910)在研究止痛药的过程中，发现可能存在一类很特殊的微生物，它们是引发一些传染病和肺结核及霍乱的罪魁祸首。光学显微镜研究及动物实验很快就确认了这种细菌的存在。细菌可导致传染病的结论也因此确立。RoberKoch由于其在肺结核杆菌及霍乱杆菌方面的发现和研究获得1905年诺贝尔医药学奖。然而使光学显微镜也感无奈的真正的麻烦还在后面呢。在深入调查1897-1898年爆发的口蹄疫灾情过程中，FriedrichLoeffler(1852-1915，德国)和PaulFrosch(1860-1928德国)推测在患病动物的胞囊液体中寄生着一种极微小的感染体，它们是如此之小，以至于用当时(19世纪末)已臻完美的光学显微镜都不能够看到。正因为很小，这种感染体可以轻易穿过生物体的细菌过滤网(淋巴)而导致牛和猪感染口蹄疫。就在同一时期，俄国植物学家DimitriIvanovski(1864-1920)于1892年及荷兰微生物学家MartinusBeijerinck(1851-1931)也在研究一种可传染的烟草植物疾病过程中发现存在一种可穿过植物的细菌过滤网的感染体。更有甚者，其后在细菌培养实验中英国细菌学家FrederickW.Twort(1877-1950)和加拿大裔法国籍细菌学家FelixD′Hérelle(1873-1948)分别发Chapter32现，细菌本身也会被某种神秘的流行病攻击。D′Hérelle因此认为存在着一种超小活体，可寄生于细菌中并且自我复制。他因此将这种超小活体命名为细菌噬菌体(Bacteriophage)，所有这些积累的事实使得一种与已知的细菌完全不同，尺寸远小于细菌的神秘微生物逐渐浮现出来。由于这种微生物可以穿过防细菌的过滤网而感染生物体和植物体，且不能被光学显微镜识别出来，更重要的是当时还不能够人工培植，“病毒”这一名称应运而生。由于显微镜分辨率的限制(19世纪末达0.3微米)及病毒的超小尺寸(典型大小为0.1微米)，病毒的存在直到1940年才获得直接证据。而这一关键证据的取得，是使用电子显微镜所取得的重大成果之一。这是后话，留在后面详谈。从病毒的被假设存在到被直接观察到，中间经历了大约半个世纪。而18世纪末到19世纪上半叶的这半个世纪，也是对各类传染病进行广泛研究的年代。病毒是否存在并象想像的那样导致疾病的传染，成为医药学家及生物学家们昀急于解开的一个谜团。由于Abbe理论论证了光学显微镜的分辨率不能无限提高，因此对于拥有一种比光学显微镜具有更高分辨率的显微工具的渴望也就格外强烈。在这种背景下，发明新的显微镜也就提到日程上来了。有趣的是，当具有更优异分辨率的电子显微镜发明之后，很多生物学家们反倒起来质疑电子显微镜在生物样品研究中的可行性。我们后面会详述。虽然医学及生物学研究渴望新的显微工具，但这只是发明电子显微镜的原动力之一。真正直接导致电子显微镜诞生的则是物理学上对阴极射线及电子光学的研究。阴极射线的启示电子光学理论初成于19世纪末至20世纪初。它的出现前承阴极射线的研究，后启电子显微镜的发明，因而在显微镜发展史上具有独特的历史地位。电子光学现象其实早在1897年英国科学家JosephJohnThomson(1856-1940)发现电子以前就被人类注意到了。在古代时期记载的北极光可能是昀早发现的电子光学现象。极光是天空中的一种特殊光芒，是人们能凭肉眼看见的唯一的高空大气发光现象。这种极光色彩斑斓，美丽非常，常呈黄绿色，也有黄光或红光。图3-1是2003年11月在芬兰拍摄到的地球北极极光的壮丽奇景。图3-1：摄于芬兰的北极极光照片。Chapter33我们知道地球本身是一个巨大的磁体，它的两个磁极就是我们所说的北极和南极。当从太阳发出的外太空电荷(太阳气流或称太阳风)到达地球并与地球磁场发生作用时，会使电荷汇聚并沿地球磁极方向运动。这种电子束的运动，使周围大气层中的分子发生电离从而产生在离地球约100公里远的高空形成能量高达100万兆瓦的放电现象。瑰丽的光芒昀常出现在南、北极圈，纬度67度附近，出现时可覆盖方圆4000公里的天空，这就是我们看到的极光。对于极光成因的解释，首见于挪威物理学家KristianOlafBernhardBirkeland(1867-1917)在1896年发表的一篇文章。在文章中他由阴极射线实验推论出北极光乃是太空电荷与地球磁场作用的结果。这一推论看起来是那么可信而自然，因为阴极射线实验现象之一就是在真空管中经电子激发而产生的发光，这与北极光的产生是出于相同的道理。阴极射线的研究可源于1706年(FrancisHauksbee，英国)，但直到1859年真正的具有直线传播特性的阴极射线才被德国数学物理学家JuliusPlücker(1801-1868)发现。随后的实验与理论工作使得阴极射线在磁场中的运动轨迹和运动方程在1896年由法国科学家JulesHenriPoincare(1854-1912)解决。阴极射线(CathodeRays)这一名称源于E.Goldstein(1850-1931)，专指在极稀薄气体中由高电压导致的电流射线。WilliamCrookes(1832-1919，英国)发现阴极射线可用凹透镜聚焦的事实已使得阴极射线传播与光学中光传播在理论有了很明显的可比拟之处。虽然在当时(19世纪末)这一阴极射线的光学性质还并未被破解，但是聪明的科学家已经开始使用轴对称的磁场或静电场来聚焦阴极射线，制成了物理学领域中广为人知的阴极射线示波器。另一个与阴极射线有关的产品，阴极射线管，则成为电视中不可或缺的重要部件。阴极射线除了本身的高度应用价值外，正是在19世纪末至20世纪初对阴极射线的广泛研究导致了两项在科学领域影响深远的发明，即X射线的发现及其后基于电子光学基础上的电子显微镜的发明。在介绍电子显微镜诞生之前，我们先不妨看看著名的X射线是怎样被发现的。无名的射线X射线中的字母X，在数学中经常被用来代表未知数，而X射线的命名本意，大概也正在于其被发现之初人类对其本质实无一丝了解，在其之前的历史上也毫无踪迹可寻，可称是名副其实的无名射线。当然这个被称为“无名”的射线(X射线)，自被发现之后声名鹊起，在科学发展史上可说是大大有名。人们也称X射线为伦琴射线，是为了纪念其发现者，德国物理学家伦琴(WilholmConradRöntgen，1845-1923)（图3-2）。Chapter34图3-2:WilholmConradRöntgen(1845-1923)。伦琴于1845年3月27日出生于德国下莱茵省的Lennep，是一个布料商人的独子。3岁时随家迁往母亲的故国荷兰。在上小学期间，伦琴就显示出对大自然的热爱，并喜欢动手做机械方面的发明，但是在学习上并未显示有什么特殊的天分。当其20岁进入荷兰Utrecht大学学习物理后，在没有完成所规定的学业情况下转学到了瑞士苏黎世工业学院，并改行学习机械工程。令人刮目的是，伦琴只上了4年大学(包括转学)就在24岁时拿到了苏黎世大学的博士学位，并留校当助教，后随导师转至法国Strasbourg大学。以后又于1888年转到德国Würzburg大学，并昀终在发现X-射线后的1900年接受德国巴伐利亚(Bararian)州政府的特别邀请，来到该州慕尼黑大学任实验物理主任，在此终其一生。伦琴发表的第一篇科学论文是在25岁，即获得博士学位的第二年。他的早期研究兴趣很杂，包括固体的比热、热导率、电性；液体的折射率、温度、及可压缩性；光的偏振等等。当然伦琴的名字之所以为后人纪念主要是因为X射线的发现，而这一伟大的发现正是始于伦琴对阴极射线的研究。这项工作是伦琴在德国Würzburg大学工作时开始的，在那里他的一些同事像Helmholtz(赫姆霍兹)及Lorenz(洛伦兹)都是我们现在熟知的电磁学物理大师。在伦琴进入阴极射线研究领域的1895年，诸多在那之前的研究已使得人们对阴极射线了解甚多，这一点在上一节已介绍过了。而恰恰是伦琴的研究却导致了惊人的发现，这不能不说是伦琴的运气，也是他出色的洞察力和高超的实验设计的结果。伦琴的实验设计据说是源于一个偶然的发现。在一次对阴极射线的实验研究之后，伦琴偶然发现一些存放于实验室但未曾使用过的照相胶片离奇地被曝光了。在好奇心的驱使下，伦琴设计了一个实验。1895年11月8日的晚上，伦琴在他的实验室中(图3-3)将一个阴极射线管密封于一个不透光的厚纸板箱中，关闭所有光源后，整个实验室处于完全的黑暗之中。当他将一个氰铂酸钡荧光屏在纸箱外对着阴极射线管方向时，发现荧光屏发出亮光，即便是将荧光屏放在距纸箱两米之远，亮光仍然可辨。伦琴敏感地意识到一定有某Chapter35种未知且看不见的射线从阴极射线管发出。这种射线可以穿透物质(如纸箱)而照在荧光屏上产生亮光。同样的道理，也正是这些射线造成了未开封的感光胶片离奇曝光。在以后的系统实验中，伦琴进一步发现这种看不见的射线对于不同物质的穿透能力不一样。而这种新射线的产生与阴极射线原理不同但密切相关，应是因为阴极射线轰击某种物质而引发的。因为对这种未名射线的性质一无所知，所以伦琴将其命名为X射线。那年伦琴50岁。为了给妻子一个意外的惊喜，伦琴让他的妻子将手放在X-射线下照射。当他的妻子看到自己带着戒指的手在照相底片上成为带着戒指的骨骼时，惊悚万分而绝对不是惊喜。可以想像在19世纪末的年代里，任何活生生的人突然莫名其妙地亲眼看到自己的全副如骷髅般的骨头架子时，当真是如逢鬼魅，哪还能兴奋得起来呢。正因如此，当这幅带戒指的人手骨骼照片在全球的报纸上发表以后，世界轰动（见图3-4）。这幅照片被认为是历史上第一幅X射线透视像，也成为X射线诞生的经典标记。这幅照片本身的另一重大启示就是，X射线可以穿透肉体，使人看到骨骼。这在医学上的意义之大，以前的医学工具鲜有能望其项背的。伦琴的发现正式发表于1896年[5]。在伦琴的发现公布以后，医生们立即将X射线投入医疗诊断之用。3个月后，很快就有人发现过强的X射线会严重灼伤人体器官，甚至导致死亡。但之后长期的研究及技术革新，使得X-射线逐渐成为现代医疗诊断不可或缺的安全又直观的工具。除了在医疗方面的应用，X射线对大部分物质的可穿透性也被科学家们用来研究晶体的结构。而昀初这方面研究的成功也与伦琴有直接的关系。图3-3：伦琴发现X射线时的实验室。Chapter36图3-4：伦琴妻子带戒指的手骨X射线透视照片。伦琴在发现X射线后，1900年转到德国慕尼黑大学(UniversityofMunich)任职实验物理主任。因为他的大力支持，使得固体物理学家ArnddSommerfeld(索末菲，1868-1951)获得了该大学理论物理教授的位子。这一位子自前任的著名量子物理学家Boltzmann(玻尔兹曼)死后曾空缺多年，可见索末菲的实力和伦琴的眼光之准。在1910年，索末菲给他的学生PeterPaulEwald(爱瓦尔德,1888-1985)出的论文题目涉及到了晶体点阵问题。这在当时绝对是个难题，因为晶体结构在那个缺乏有效观察手段的年代仍是一个谜。为此Ew