显微镜与纳米

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显微镜与纳米

我们人类被称为万物之灵，能够上天人地，移山填海，能够深入微小世界探秘，这些靠的是什么呢？说起来我们在很多方面不如地球上其他的生物，奔跑我们比不上猎豹，力量我们更是没法和大象相比，可是我们人类拥有发达的大脑，我们懂得去制造工具。正是这些工具弥补了我们的不足，使得我们征服自然的能力大大提高。

人类要认识微小的世界，单单凭借我们的肉眼也是不行的。我们人类能看到的最小的东西大约为01毫米，那么我们是如何观察小于0.1毫米的东西的呢？

最早用于探究物质结构的仪器是光学显微镜。光学显微镜最初是由放大镜演变而来的。放大镜实际上就是凸透镜，人们早就知道把凸透镜靠近物体，就可以通过镜片看到放大的物像，这大概是14世纪的事情。16世纪荷兰人杨森偶然通过两块不同的镜片看物体，发现放大效果好得多，于是就发明了显微镜。

这件事发生在16世纪的荷兰不是偶然的，因为当时荷兰的眼镜制造业相当发达，杨森正是一位磨镜片的工人。他的显微镜由透镜组合而成，把两片凸透镜和两片凹透镜各组成一对，凸透镜作为物镜（靠近物体一方的透镜），凹透镜作为目镜（靠近眼睛一方的透镜）。这是一台很大的显微镜，镜筒的直径有五厘米多，长度有四十几厘米。不过这台显微镜的效果并不是很好，影像歪斜不清，也不能聚光以便清楚地观看物体。

早期显微镜镜片所用的玻璃质量不佳，玻璃里含有气泡，玻璃表面也不光滑，用这种显微镜放大的物体看上去有点模糊。如果使用倍数更大的显微镜来进一步放大物体，物体就变得更加模糊，结果什么也看不清楚。正是因为这个原因，人们往往认为观察微小物体放大镜就够了，显微镜并不比放大镜优越。

英国物理学家胡克在1肋年前后，对显微镜发生了兴趣，亲自制作了一台显微镜，他用这台显微镜，发现了软木的软组织（他给软组织取名为“细胞”，其实他看到的并不是真正的细胞，而是软组织的纤维结构），并且清楚地观察到了蜜蜂的小刺、鸟羽的细微构造等微小物体。他的显微镜使用了两片凸透镜，原理和现在的显微镜相同。另外，胡克还想出了在物镜下面另外安装凸透镜，用以聚光照亮被观察物体的方法，为了提高放大倍率，胡克进一步使用了近于球形的凸透镜。他的显微镜能清楚地观察以前看不到的微小的物体，例如跳蚤的头部和脚部，所以当时显微镜有一个外号，叫跳蚤镜。1665年胡克写了一本书，名叫《显微图谱》，里面有他根据大量观察所做的素描，显微镜也因此受到科学界的重视。

把显微镜推上科学舞台的科学家中，还有一位叫列文虎克，他也是荷兰人。他把玻璃棒的端部熔化后拉成线状，然后进一步加热做成球形，再把它磨成透镜。他要求玻璃里面一点也不含气泡，玻璃表面必须磨制得非常光滑均匀。他在1671年磨成的第一块透镜尽管直径只有1/8英寸（约3毫米），但当他通过透镜观察物体时，却发现物体几乎放大了200倍，而且十分清晰。他把透镜放在支架上，做成了一具放大镜。后来又加上一块透镜，放大的倍数更大了，这就构成了显微镜。显微镜在当时已经不是什么新鲜事物，但别人都是把镜片拼凑在一起当作玩物，而列文虎克却有自己的崇高目的，他想用这台新仪器观察看不见的世界。

列文虎克用他的显微镜观察各种小东西，从牙垢到沟中的污水，都成了他的观察对象。他记下了肌肉、皮肤、毛发和牙质的精细结构。从1673年开始，他用荷兰文给英国皇家学会不断写信，报告他的观察实验记录，有时一封信就像是一本小书，他的第一封信就用了一个很长的题目：“列文虎克用自制的显微镜观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录”。当时英国皇家学会对这位无名之辈的报告不很重视，直到1677年按照列文虎克的说法制成了同样大小的透镜和显微镜，证实列文虎克的观察结果之后，才引起了人们的注意。

列文虎克的一系列发现，在生物学史上开辟了一个新的研究领域，这个领域就是微生物学。有了光学显微镜，我们就可以观察到肉眼看不见的细胞，也正是光学显微镜的诞生导致了细胞的发现；从而使人们对自然界的认识发生了一个极大的飞跃。

可是人类要想看比细胞还小的结构，使用光学显微镜就不行了。

为了增加显微镜的放大倍数，在相当长一段时间内，不少人都在玻璃的材料和磨削工艺的改进上动脑筋。但后来发现，如果被观察的物体小于光波波长的1/2时，光线射到它们身上时就会绕过去成不了像。我们知道，光学显微镜是用可见光作为光源的，其波长约为400~770纳米，因此当被观察的物体小于200纳米时，光学显微镜就无能为力了——放大倍数限制在2000倍左右。

所以，要观察更小的物体，就得另外找到一种比可见光的波长更短的光线才行。早在20世纪20年代，法国科学家德布罗义就发现电子束也具有波动性质。所谓电子束，就是许多电子集合在一起，并且以很高的速度向着一个方向运动。进一步的研究表呀，电子束的波长远比可见光的波长短，还不到1纳米。于是，科学家们很自然地想到，如果显微镜用电子束代替可见光做光源，它的分辨能力肯定可以大大提高。

根据这一思路，科学家们终于在1932年研制成功了一种新的显微镜——电子显微镜。在电子显微镜内部，特制一个空心的强力线圈——磁透镜，它相当于光学显微镜中的玻璃透镜，但是，镜筒必须抽成高度真空。同时，由于人眼无法直接看见电子束，因而必须通过荧光屏或照相机的转换。经过不断改进，目前电子显微镜的最高分辨能力已达02~03纳米，与原子大小差不多了。放大倍数约为30万~40万倍，一根头发丝可以放大到一座礼堂那么大；如果增加磁透镜个数，放大倍数更可高达80万~100万倍。电子显微镜的发明帮助人类进一步打开了微观世界的大门，人们可以看到更小的东西了，包括细胞内各种组成成分，以及只有几十纳米大小的病毒。

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