神秘的它终于现出真身
来源：中科院高能所
撰文：小溪
突然袭来的新冠肺炎疫情让人类又一次见识了“病毒”的威力。肉眼看不到的病毒作为一个物种，很可能从地球生命诞生之初就已经存在，而人类从意识到有病毒存在→看到病毒的模样→弄清病毒的内部结构成分却经历了漫长的过程。
“病毒”早在19世纪末就已被科学家们证实肯定存在，但用当时最先进的光学显微镜却始终找不到病毒的踪影(相关链接)。德国的恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)通过理论分析提出了显微镜的“衍射极限”(被称为阿贝极限)概念，即显微镜的分辨率最高只能达到光源波长的二分之一，这就意味着以可见光(波长范围在0.38~0.78微米)为光源的光学显微镜无法实现小于0.2微米的分辨率，由此可认定那肯定存在的“病毒”尺度一定小于0.2微米。
怎样让肯定存在的病毒现出真身呢？科学界一直为此在努力。
· 一个假说
进入20世纪后出现了新的希望。
1924年11月，法国的路易·德布罗意(Louisde Broglie)提出了一个物质波假说。他认为：一切物质都与光一样具有波粒二象性，当电子以高速运动时，其行为类似光波的传播过程，电子束可作波状运动，但其波长要比光的波长短得多。
德布罗意可不是一般人物，他的物质波理论是在他的博士毕业论文中阐述的，这一理论被誉为划时代的研究成果，为建立波动力学奠定了坚实基础(仅仅5年之后的1929年，年轻的德布罗意就获得了诺贝尔物理学奖，他是第一个以学位论文获得诺贝尔奖的学者)。
路易·德布罗意(Louisde Broglie)(图片来自网络)
德布罗意的奇思妙想竟然很快就被实验证实了。美国的克林顿·戴维森(Clinton Davisson)和英国的乔治·汤姆逊(George Thomson)1927年通过电子衍射实验证实了高速电子的波动性，验证了德布罗意的物质波理论(他们因发现电子在晶体中的衍射现象获得了1937年的诺贝尔物理学奖)。
克林顿·戴维森(Clinton Davisson)、乔治·汤姆逊(George Thomson)
(图片来自网络)
· 如何成像 ·
德布罗意的假说十分吸引人，大胆设想一下，电子束波长约是可见光波长的1/1000，如果能用电子束作为显微镜的光源，依据“阿贝极限”这样不就能大大提高显微镜的分辨率了？
答案是：仅有电子束作光源还是不行，因为显微镜除了光源还需配置复杂的光学会聚与发散系统，当时并没有人知道如何能让电子束会聚与发散，也就是说电子束无法成像。是否可以认为：只要能找到使电子束会聚与发散的方法就可以得到放大的物像了？这个想法太有挑战性了。
1926年时，德国的汉斯·布希(HansBusch)通过理论分析证明：轴对称的非均匀电场和磁场应可以让电子束折射以产生电子束的会聚与发散，最终达到成像的目的。可这个理论是否能成为现实呢？
汉斯·布希(Hans Busch)(图片来自网络)
1927年，德国的恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska)还是个没毕业的学生，他加入了柏林高等工业学院马克斯·克诺尔(Max Knoll)教授的研究团队，他们当时的主要目标是研发高性能的阴极射线示波器。1929年，鲁斯卡在用磁透镜和静电透镜使电子束成像的实验研究中取得了可喜的初步进展，并与克诺尔开始着手研制透射电子显微镜。
恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska)、马克斯·克诺尔(Max Knoll)
(图片来自网络)
鲁斯卡与克诺尔真是天作之合，仅仅用了两年时间，1931年时他们就研制成功了具有两个磁透镜的透射电子显微镜(Transmission ElectronMicroscope，简称TEM)，放大倍数虽然只有16~17倍，但确实证实了使用电子束和电子透镜可以形成与光学透镜相同的电子像。那时，鲁斯卡他们还未使用“电子显微镜”的称谓。直到1932年，鲁斯卡与克诺尔在《物理学杂志(Zeitschrift für Physik)》上发表的题为《电子显微镜》论文中才正式提出了“电子显微镜”的名称。
· 终于现出真身 ·
鲁斯卡再接再厉，他设法进一步缩小磁场范围，减小焦距。1933年，他用改进后的磁透镜终于获得了放大12000倍的电子显微像——这可以说是现代电子显微镜真正的鼻祖。至1938年，鲁斯卡等人制作的透射电子显微镜不但有聚光镜、高性能物镜、投影镜，还配备了更换样品、底片的装置，可获得3万倍放大率的图像。
鲁斯卡1933年研制的透射电子显微镜(图片来自网络)
鲁斯卡(右)和克诺尔在他们研制的透射电子显微镜上工作(图片来自网络)
在那个年代，尽管鲁斯卡等人为电子显微镜的发明专利所属争得沸沸扬扬，但人类探索微观世界的第二扇门已被开启。
1939年，鲁斯卡与德国的古斯塔夫·考什(GustavKausche)、埃德加·潘库奇(EdgarPfannkuch)一起在透射电子显微镜下观察到了烟草花叶病毒(TobaccoMosaic Virus，简称TMV)微小的杆状颗粒(直径18纳米、长300纳米)，这是人类有史以来第一次看到病毒的“真身”。此时，距1898年贝杰林克首次证实有烟草花叶病毒的存在已过去了40多年。
透射电子显微镜下的烟草花叶病毒(图片来自网络)
(题外话：鲁斯卡对电子显微镜技术的发展作出了杰出贡献，可他得到的表彰来得挺晚，直到50年多后的1986年，鲁斯卡与后来的扫描隧道显微镜发明者分享了诺贝尔物理学奖，那时他虽已是垂垂老者但毕竟还活着——长寿很重要，鲁斯卡1988年5月逝世)。
· 并未止步 ·
透射电子显微镜具有很高的空间分辨率(0.1-0.2纳米)主要用于观察样品的内部结构，因其景深较小，对样品的表面形貌并不敏感。如何解决这个问题呢？
德国的雨果·斯蒂青(Hugo Stintzing)1929年时提出过一种可用于样品表面形貌观察的扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscopy，简称SEM)工作原理(利用电子束与样品之间的相互作用来获得样品表面的高分辨率图像)。克诺尔也曾用实验演示验证过这个原理，可惜他并未研制出有实用价值的原型。
直到1937年，德国的曼弗雷德·阿登(ManfredArdenne)对此有了新思路：在透射电子显微镜中加上扫描线圈使电子束可聚焦成一束细微的探针用来扫描样品。穿过样本的电子被收集起来，在接收屏幕上显示出不同的电子强度，最后创建出高分辨率的接收图像。阿登成功地研制出第一台扫描透射电子显微镜(Scanning Transmission Electron Microscope，简称STEM)。
曼弗雷德·阿登(Manfred Ardenne)(图片来自网络)
阿登研制的扫描电子显微镜(图片来自网络)
美籍俄罗斯人弗拉基米尔·兹沃里金(VladimirZworykin)的贡献也不能忽略，他研究的重点是如何提高电磁场改变带电粒子运动轨迹的能力(要知道，世界上第一台实用的电视摄像机就是他发明的)，他对原理相近的电子显微镜也十分感兴趣。兹沃里金领导的团队与加拿大的詹姆斯·希利尔(James Hillier)合作，对电子显微镜系统进行了重大改进，使电子束对观测样品进行扫描的技术取得了重大进步。1940年，扫描电子显微镜首次实现了超过10万倍的放大，促使生物学和医学领域的研究发生了革命性的变化。
弗拉基米尔·兹沃里金(Vladimir Zworykin)、詹姆斯·希利尔(James Hillier)
(图片来自网络)
兹沃里金(右)与希利尔在他们研制的扫描电子显微镜上工作(1942年)(图片来自网络)
1942年，兹沃里金等人开始研制利用反射电子束作为探测信号的扫描电子显微镜，只是噪声过大并不很实用。由于第二次世界大战的影响，相关研究停滞了一段时间。二战结束后，英国剑桥大学的查尔斯·奥特利(Charles Oatley)和他的学生丹尼斯·麦克穆兰(DennisMcMullan)继续开展这方面的研究。1951年，他们研制出真正实用的扫描电子显微镜，第二年就实现了50纳米的分辨率。此后，在一系列关键技术问题获得解决后，扫描电子显微镜的技术发展更为迅猛。
查尔斯·奥特利(Charles Oatley)、丹尼斯·麦克穆兰(Dennis McMullan)(图片来自网络)
1951年投入使用的扫描电子显微镜(图片来自网络)
有了电子显微镜这个利器，神秘的烟草花叶病毒以及更多的病毒终于现出了真身，而科学家们却并不满足，他们期待能更深入地了解病毒的内部结构。
怎样进一步提高显微镜的分辨率？
还有没有其它办法来探索微观世界的奥秘？
科学家们仍然在努力。