电镜博物馆|1959年刊：“神奇的电子显微镜”

温故知新，从历史刊物文章中学习早期电镜产品技术历程，以下内容摘自《Popular Electronics》1959年11月刊（Vol. 11, No. 5），文章题目“The Amazing Electron Microscope”，作者Morris M. Rubin。（由“RF Cafe”网收录）

光学显微镜的分辨率受到光波长的限制。天文学家William Dawes首先提出了一种量化的方法，这种方法基于视觉上分辨距离较近的恒星的能力。被称为道斯极限，4.56/D弧秒的值是由经验确定的(D是仪器的孔径，单位是英寸)。任何具有完美光学系统的光学系统的放大倍数的理论上限在2000左右。正如这篇1959年《Popular Electronics》上这篇文章所描述，电子显微镜通过发射一束半径远小于可见光波长的电子，并测量其反射，从而消除了这种分辨极限。图像必然是“假色”，因为我们无法感知到电子束所显示的表面的真实波长/颜色。

《Popular Electronics》1959年11月刊封面与目录

整理译文如下，以飨读者。

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惊人的电子显微镜

作者：Morris M. Rubin

在光学显微镜分辨率达到极限后很久，电子显微镜的分辨率还在继续提高……高达 20万倍。

从第一位伟大的显微镜设计师安东·列文虎克（Antony van leeuwenhoek）时代起，科学家们就将显微镜作为他们的主要工具之一。年复一年，随着光学玻璃制造技术的改进，新的更好的显微镜使科学家能够看到越来越微小的物体。随后，大约在1890年，光学显微镜分辨率的提升似乎已经走到了尽头。超过大约 2000 倍的放大倍数，即使是最精细、设计最完美的显微镜也只能看到一个模糊的斑点。

光本身的基本特征阻碍了更强大显微镜的发展。与声音类似，光以可测量长度的波传播。例如，在可见光谱的中，波的长度约为 6/250000 英寸。为了让光波区分物体上的两个点，两点之间的距离必须是光波长度的三分之一，即6/ 250000英寸以上，小于约半波长的物体无法被光学显微镜清晰放大，无论其透镜多么完美。

科学家们推断，既然根本的瓶颈是“普通”光的波长相对较长造成，那么如果有可能使用某种波长较短的光，就可以实现更有效的放大。于是，人们探索了这种可能性，并利用紫外光(其波长约为可见光的三分之一)，设计出可以放大到5000倍的显微镜，放大倍数达到可见光显微镜极限的两倍多。

此时，光学显微镜达到了其设计能力的天花板。如果科学家想要更大的放大倍数，他们必须找到一种新的方法。

电子的“营救”

电子显微镜的理论在20世纪20 年代提出。实验表明，当电子受到高压场加速时，它们会获得可测量的特征波长。电压越高，电子速度越大，表观波长越短。此外，已经证明电子可以被磁场弯曲或折射，类似光可以被光学透镜弯曲和折射。

因此，光学显微镜的分辨率极限，就可以通过使用更短波长电子流替代光，从而获得更高放大倍数，这似乎是合乎逻辑的。有了这样的重要概念，科学家们开始着手设计电子显微镜。

到20世纪30年代后期，实验型的电镜已经在欧洲、加拿大和美国投入使用。随后，在1940年，RCA公司推出美国第一台商用电子显微镜。虽然按照目前的标准，这些最初的电镜产品设计还比较落后，但相比有史以来最好的光学显微镜则要优越的多。

甚至紫外线显微镜的放大倍数也仅限于 5000 倍，而这些早期的电子显微镜却能够放大 10万 倍。今天的模型放大倍数超过 20万倍——足以看到人类头发直径百万分之一的物体——并且通过照相技术进一步放大图像，可以将直径放大至100万倍以上。

电子取代光。与光学显微镜的原理类似，电子显微镜使用一系列镜头逐步放大样品。但是，虽然光学显微镜使用玻璃透镜来弯曲光线，而电子显微镜的“透镜”是线圈——类似于电视机的偏转线圈——可以弯曲和偏转电子流。

电子显微镜与普通光学显微镜的比较。基本原理是一样的，但是电子显微镜使用线圈来磁偏转和聚焦电子束，而不是用玻璃透镜来弯曲和折射光线。

电子枪发射的电子通过聚光透镜，聚光透镜将电子束集中在样品上。由于样本被制样切成部分透明的薄片，在任何一点上，电子通过它的数量都随标本的密度而变化。这样就产生了一种不同电子密度变化的图案。

虽然这种图案肉眼是看不见的，但可以通过在标本下方放置荧光屏来显示。然而，在实际操作中，电子通过物镜，这是进行放大的第一步。就在它们到达投影镜头之前，一个“展开”的密度图案就形成了，中心区域随后被投影镜头进一步放大。

放大的标本可以直接在荧光屏（其外观和工作方式类似于电视屏幕）上查看，或者可以通过特殊相机拍摄图像（通常内置于电子显微镜中）。放大所得照片可以进一步放大样品。

关于价格。除了光学系统，电子显微镜还必须有超稳定的高压电源和高效率的真空系统。这种复杂性导致了当今电子显微镜的高昂价格——从 12000 美元到40000 美元不等，具体取决于所需的放大倍率、品牌等。

以上展示了两种最广泛使用的电子显微镜。左边是RCA EMU-3，可以放大20万倍。右边是Norelco EM100B，放大到90000倍。

Norelco（荷兰飞利浦）和 RCA（美国无线电公司）是这些装置的最大生产商。德国和日本的制造商也活跃在该领域。俄罗斯人也参与其中，生产了一种电子显微镜，该显微镜似乎是 1940 年 RCA 模型的改编版。

首台RCA电子显微镜的共同发明者，James Hillier博士，左边显示的是RCA的EMB模型，在1940年上市。

局限性。尽管电子显微镜可能有用，但它仍然有其局限性。由于高压电子对生物体是致命的，电子显微镜不能用于观察活的细菌、病毒等。另外，电子束不能穿透超过 1/25000 英寸，所以电子显微镜不能用于观察更厚的物体——例如苍蝇的翅膀。

后一个问题的解决方案是开发特殊设备，这些设备可以切割出足够薄以允许电子通过的待观察物体的切片。这种“切片机”如何处理较软的材料我们很容易想到，但我们如何切下一层 1/25000 英寸厚的钢？这个问题的答案非常简单。钢材表面的“复制品”是在柔软的材料上制成的，例如蜡。复制品很容易切片，当它安装在非常薄的透明膜上时，它会取代显微镜中的原始物体。

重要性。现在全国各地的实验室都在使用大约一千台电子显微镜。它们是寻找疾病（尤其是癌症）原因的研究中的宝贵工具，同时，它们在解决各种工业问题方面也很有用。例如，可以通过仔细检查电子显微镜照片来判断橡胶轮胎的磨损质量，从而无需进行漫长而繁琐的路试。

最近在纽约举行的苏联展览上展出的一个1959年的俄罗斯电镜

但是，电子显微镜最令人兴奋的应用是在细胞研究中。细胞通过蛋白质合成过程生长、滋养和再生。在电子显微镜的帮助下，科学家们第一次能够看到这些过程——这才是真正的“生命的秘密”。

人类是一种永不满足的好奇生物。电子显微镜是满足人类求知欲和理解力的最有效手段之一。

你能认出这些图片吗？

所有这些都是在电子显微镜的帮助下拍摄的（答案在页面底部）。

答案

1. (a); 总放大倍数 160,000X；飞利浦电子公司提供

2. (c); 总放大倍数 425,000X；由法兰西学院和 RCA 提供

3. (c); 总放大倍数 112,000X；由麻省理工学院 CE Hall 博士提供

4. (d)；总放大倍数 68,000X；由 Esso Research & Engrg 公司提供

5. (c); 总放大倍数 14,680X；由陶氏化学公司和 RCA 提供

”