电子显微镜

利用光学显微镜能够看见非常微小的东西，例如各种细菌和细胞等等，这是大家都很熟悉的。但是，大家有没有想过，这种显微镜最小能看到多大的东西，它的“视力”有没有一个限度呢？

是的。光学显微镜的视力有一个界限。不管显微镜做得多么好，它都分辨不出小于0.2微米（1微米=10\(^{-}\)6米=10-3毫米，微米通常以μ表示)的东西。这是由于光线的波动性所造成的。这了说明这个问题，我们想象一下水波进行的情况。在湖面投下一个石子，水波就向四周传播开去。如果水波碰上了一个比波长大得多的石头时，它就不能传到石头后面去。石头后面的水仍然是平静的, 或者说，在石头后面留下了一个“影子”。但是，如果水波碰上了一根插在水中的木桩，而木柱的直径比波长小很多时，波就毫不费事的绕过木桩，继续前进，而不会形成木桩的“影子”。研究指出，当物体的大小等于波长的一半时，波就能够绕过这一物体而不在物体后面留下影子。我们知道，可见光线的最短波长是0.4微米(紫色光），所以光波完全可以绕道小于0.2微米的东西。因此，利用光学显微镜就看不到小于0.2微米的东西了。

随着科学技术的发展，在1926～1931年，发现利用电子射线代替光线来制成电子显微镜, 可以分辨更小的物体。理论上证明，当电子受到5万伏的电压加速时，它的波长只有光波波长的十万分之一。所以电子显微镜理论上的最小分辨距离是0.0002～0.0003微米，或2～3埃（1埃二10\(^{-}\)10米=10-7毫米=10\(^{-}\)4微米，埃通常以符号A。表示）。这样，过去许多用光学显微镜看不见的东西，例如病毒、胶体粒子、巨分子和结晶结构等等，现在都可以用电子显微镜来看到了。这真是给我们展示了一个无比丰富的微小世界的广阔天地。电子显微镜在生物学、医学、物理学、化学以及各种不同的生产部门中都带来了许多辉煌的成果，已经成为各种重要科学研究和实验中不可缺少的工具。

大家知道，有很多疾病，例如麻疹、大脑炎，伤风感冒等等，都是由比细菌还小的病毒引起的。不但如此，病毒还会使猪和牛得瘟疫，得蹄口病，会使烟草、棉花和蕃茄等生病。光学显微镜是看不见这些病毒的。但是，电子显微镜却可以看到它们。它象一个巨大的探照灯一样，照亮了微生物世界，暴露了病毒的形态和生活规律的秘密，使我们认清了敌人，更有效地去消灭它们。封二图①所示为电子显微镜下拍出的流行性感冒病毒的照片，图②为一种烟草花叶病病毒的照片。

痨病是一种比较难治的病。很久以前，科学家们已经在猜测，引起痨病的结核菌，一定穿着一层又厚又结实的膜，象甲胄一样保护它不受药品的伤害，不怕人体的各种抵抗力。现在，有了电子显微镜，科学家们已经看见了这层厚膜，研究了它的详细结构（图③）。不久，他们就会揭穿这副甲胄的秘密，用适当的办法来解除结核菌的武装了。

有一种比细菌还小，但是能把细菌“吃掉”的东西，叫做“噬菌体”。电子显微镜帮助科学家找到了它们。它们的形状象蝌蚪，有一个圆圆的身体和一条细长的尾巴（图④）。它们包围住细菌，向它进攻，钻入细菌内，继续生长繁殖，在很短时间内，就使细菌的膜破裂，使细菌死亡（图⑤）。科学家们培养出噬菌体。患痢疾的人服了噬菌体后，两三天内就复原了，比吃药好得还快。

日常生活中和生产部门中都碰到许多性质很不相同的材料。为了了解其中的秘密，就要知道材料的微粒的形状和大小。这里又需要电子显微镜的帮助。例如橡胶，它们具有弹性，能够伸长或压缩，为了解释它们的物理性质，便需要了解橡胶中填充料（例如碳黑和碳酸钙等）的分散状态。图⑥和⑦中是用电子显微镜照下的一种用超细微碳酸钙作填充料的硫化橡胶沿着平行于层和垂直于层的方向切开的结构图。

从远古的原子论到近代固体理论，都认为晶体中原子排列成整齐规矩的格架。但由于晶体中原子排列的间距太小（通常只有几个埃到十几个埃），过去只能作间接测量而无法直接目睹。近年来，电子显微镜已经发展到能分辨8～10埃的距离，于是在1956年，人们首先用电子显微镜看到一种金属衍生物晶体中的原子排列情况（如图⑧所示铂的金属衍生物，其间距为12埃）。这个发现是固体物理物质结构方面划时代的发现。尤其是从这个图上看出晶体中原子排列有各种缺陷，这对于研究金属结构和性能有极大意义。

电子显微镜的应用十分广泛，要把它们一一列举出来是办不到的，所以前面只谈了应用电子显微镜的几个例子。

大家知道，光学显微镜中最重要的东西是透镜。透镜能使光线折射和聚焦，把物体的象放大许多倍。

在电子显微镜内，最重要的东西是“电子透镜”。透镜这个词是和光学中的情况对比而借用来的。事实上，电子透镜不是由玻璃或什么别的东西做成的，而只是一个有电场或磁场存在的空间。大家知道，电子在电场或磁场中运动时会受力的作用而改变它行进的方向。因而电子射线通过电子透镜时也会发生折射和聚焦，就象光线通过普通透镜一样。

电子透镜分为电磁透镜和静电透镜两种。电磁透镜是利用通有电流的线圈造成的磁场使电子射线折射和聚焦。如图1所示，设有一个通电流的长线圈，在其内部形成均匀的沿轴线方向的磁场。由于磁场的作用，从某点A发出的角度不大的电子束可以聚焦在另一点A′。这说明均匀磁场对电子束的作用和会聚的玻璃透镜对于光束的作用相似。但是实验发现，长磁线圈的成象放大率等于1（即不能放大）。后来人们发现利用通电流的短磁线圈的磁场（图2）不仅能够聚焦，而且还有放大作用。这种短磁线圈就可以作为电子透镜。这了加强磁场，一方面将线圈外面围以铁壳，另一方面用高导磁率的铁磁材料作成极靴装在铁壳上（图3），使得磁场集中在很窄的缝隙中，这样就可以得到焦距很短，会聚作用很强的透镜。

静电透镜是利用加有一定电压的圆孔电极造成的电场使电子射线折射和聚焦。这种透镜的结构如图4所示。中间有一个带圆孔的电极1接到15高压上，两边的带圆孔的电极2则接地。电子射线通过这些圆孔时就能发生折射而聚焦成象。

电子显微镜和光学显微镜的基本原理是相似的。在图5中我们将两者作了一个对照。图中a）为由光学透镜组成的显微镜，b）为由电磁透镜组成的电子显微镜。从电子源1（在图5a中为光源）发出的电子射线，由会聚透镜2聚成细的电子束（或光束）照射到物样3上。电子束（光束）“透过”很薄的物样，经物镜4后，造成中间象5，然后再经过投射透镜6在屏幕上造成终象7。在屏幕上涂有荧光物质，电子射线打到上面时可以使它发光，因而可以直接观察终象，但也可以用照相底片来拍摄电子象。

电子源是一个加热的钨丝阴极，它发射着电子。发出的电子经过一个控制极（它和电子管的栅极相似，调节控制板电压可以改变电子流的大小），然后受到阳极加速（通常阳极加速电压高达5万～10万伏）。从阳极小孔出来的电子射线经过会聚透镜聚焦，照到物样上微小的区域内。

大家知道，光学显微镜中物体成象是由于光线通过物样时，各处吸收光线的程度不同，于是构成明暗不同的图象。与此不同，电子显微镜中的物体成象是由于电子射线通过物样时发生不同的散射而造成的。快速的电子射线穿过很薄的物样时不会被吸收，而是象被喷雾器喷射出来一样。物体上厚度、密度大的部分，使电子散射成较大角度，如图6中通过A部分的电子射束散射成a的角度；物体上厚度、密度小的部分，使电子散射成较小角度，如B部分的散射角度为β。但是散射出来的电子数目仍然一样多，所以α角内的电子密度较小，而β角内的电子密度较大。然后我们在物镜的两极靴中间放一个有小孔的金属薄片（或叫做光阑），小孔的直径只有0.01毫米。这样，通过光阑小孔的电子数就决定于散射角的大小。物样某部分越厚越密则散射角越大，通过光阑的电子越少，故经物镜成象后的对应部分亮度越弱（图中的A′点）；反之，若物样另一部分越薄越疏，则成象后对应部分亮度越大（图中的B′点）。于是就形成了明暗不同的图象。

上面只是简略地介绍了电子显微镜的基本原理。事实上，它是一个十分复杂的精密的电子仪器。不但它本身构造很复杂很精密，而且它内部还需要保持高度的真空，各个部分所用的电源都需要十分稳定。这就要涉及无线电电子学中的一系列问题。

要用电子显微镜观察物体，需要先把物体作成试样。最简单的是用支持膜的方法。把含有被研究物体（如细菌、粘土等）的一滴液体滴在极薄的，能被电子穿透的支持膜上（通常用火棉胶膜）。把这层膜放在特制的微孔金属网上，再把带着膜的网放入电子显微镜的物样杯架上，就可以用电子射线对它进行观察了。

要用电子显微镜观察不能透过电子的大物体表面（例如钢铁的表面）。可以采用一种巧妙的印刷的方法，即复型法。如图7所示，把要研究的物样1表面仔细净化，然后在它上面敷一层透明塑胶2。硬结后，再取下这层薄膜。它就是印下了物样表面结构的复型，可以把它放入电子显微镜中进行观察。

最后，我们想谈谈电子显微镜有待解决的一些问题和它的发展前景。

首先，目前一般的电子显微镜只能穿透很薄的物样（大约几百埃），现在的要使电子射线能够穿透更厚的物样，已经制出阳极电压高达30～40万伏的高压电子显微镜，它能观察厚度为0.1微米的铁的切片、1个微米的矿物切片和几个微米的有机物和生物样品切片，这就大大扩充了它的应用范围。

其次，普通电子显微镜整个镜筒是抽成高真空的。这样，它只能观察死的样品，而不能看到活的生物。近年来，苏联制成了具有充气显微室的电子显微镜（УЭМБ—100型，见封二），在这种仪器的物样室中有两层薄膜隔出一个小的气室，所以其中可以放置活的生物样品。利用这种装置已经在电子显微镜下得出活的细胞的照片。可以预料，利用具有高分辨力的电子显微镜来观察活的生物样品，将对于生物学和医学的发展带来十分令人鼓舞的前景。

最后，人们正在不断努力改善电子显微镜的结构和性能，以适应对它的日益增长的要求。例如，增加使物样加热（到1000℃）或冷却（约-180℃）的装置，简化电子显微镜的结构使它更广泛地应用到各个部门中等等。目前电子显微镜工作者最大的努力是向理论的分辨距离（2～3埃）进军。现在世界上最好的电子显微镜只能达到6～7埃的分辨距离，要达到理论分辨距离还需要克服许多困难。但是可以相信，在这一方面，必将日益获得更大的进展。新的电子显微镜将使我们能看到物质更深处的秘密，研究物质更精细的结构，从而使各个科学技术部门得到更进一步的发展。（西门纪业）