揭开微观世界的奥秘--显微镜发明的科学历程

------《科学24小时》，周敬国

揭开微观世界的奥秘--显微镜发明的科学历程

周敬国

《科学24小时》

2008年09期

42~43页

【摘要】：正显微镜是产生一个放大的物象,以观察肉眼直接看不清的被观察物细节的一种仪器,分为光学显微镜和电子显微镜两种。光学显微镜又有单显微镜和复显微镜之分,复显微镜可看到细菌;电子显微镜可观察到如病毒、大分子等更微观的物质。

【关键词】： 显微镜下 电子显微镜 光学显微镜 微观世界 列文 科学家 放大倍数 虎克 显微镜观察 凸透镜

【分类号】：TH742

【DOI】：CNKI:SUN:KXXS.0.2008-09-027

显微镜是产生一个放大的物象，以观察肉眼直接看不清的被观察物细节的一种仪器，分为光学显微镜和电子显微镜两种。光学显微镜又有单显微镜和复显微镜之分，复显微镜可看到细菌；电子显微镜可观察到如病毒、大分子等更微观的物质。

据有关文献记载：荷兰眼镜工匠詹森将两片透镜叠在一起，于1590年制成了世界上第一台显微镜。寻根溯源，《简明不列颠百科全书》显微镜条目载：15世纪中叶就有单片透镜的单显微镜，人们用来检查昆虫。

早期的显微镜十分简单且粗糙，观察者手持镶嵌镜片的薄板，目测距20毫米左右的物像，观察被放大的实测物。17世纪初，著名科学家伽利略用自己制造的显微镜，放大了近距物像，终于发现了昆虫的复眼；1660年，意大利医生马尔比基用显微镜观察，首次发现青蛙的肺里布满了复杂的血管网。可是，他们用显微镜观察都未能发现微生物。

那么，是谁叩开了微观世界的神秘大门？故事得从列文虎克琢磨镜片说起……

1632年，列文虎克出生在荷兰德夫特一个贫穷工匠家庭，因父亲早逝中断了学业，16岁那年来到了阿姆斯特丹，在一家杂货铺当学徒，整天干着脏累活。

走上社会的列文虎克遇到了两件难忘的事，从而影响了他的人生道路。他有幸结识了居住在杂货铺对面的一位老人。老人学识渊博，经常给年轻的列文虎克讲述曾发生过的有趣故事，并把图书借给他阅读，使列文虎克学到了不少自然科学知识。杂货铺隔壁是家眼镜店，列文虎克常去眼镜作坊观看工匠们研磨镜片。工匠对他说：“用磨制的镜片看到的头发像铁丝一样粗。”列文虎克对此产生了浓厚的兴趣，在师傅手把手地传授下学会了磨制镜片这门手艺。

列文虎克废寝忘食地决意要磨制出比眼镜镜片更精致的透镜，通过辛勤劳动，列文虎克终于成功地磨制成两片光亮的镜片。他把镜片叠合起来观察指纹，指纹仿佛是一座扑朔迷离的“迷宫”；捡起一羽鸡毛，通过透镜看到了一片“原始大森林”。有趣的景象令列文虎克激动不已，他搜集了形形色色的物品供作观察，起早摸黑磨制新镜片。可是，老板不高兴了，把这个不务正业的伙计解雇了。

列文虎克又回到了德夫特，后来经人介绍在市政厅当了一名守门人。然而，他琢磨透镜观察物像的痴心始终未改，长期磨制镜片积累的经验使他磨成的镜片体积较小、镜面光滑、外观精巧。

列文虎克在43岁那年，别出心裁地琢磨了一粒似绿豆大小的透镜，为磨制这粒目镜他的手磨破了，鲜血顺着伤口流淌，腿跪得麻木了就伸直双脚躺在地上。功夫不负有心人，一粒晶莹光洁、外观完好、能清晰地将物体放大200倍的透镜终于研磨成功了。列文虎克将透镜嵌在两片薄铜板上，L形铁架钻有通孔装置标木的固定座，采用调节螺丝位置，测距微调控制，手握持固定座伸长的柄部，通过铜片孔中的目镜观察标本物。

1675年，列文虎克用这架显微镜观察贮存在瓦罐中的雨水，首次发现了单细胞有机体的轮虫。随后他多次用显微镜在井水、池水、河水、污水及腐烂物中观察到微生物。一天，有个流浪汉路过市政厅，列文虎克忽然产生奇想，用显微镜观看流浪汉的牙垢。结果，从流浪汉口腔中刮下的牙垢里，发现了许许多多的微生物，列文虎克感到十分惊讶，把这一发现报告给英国皇家学会。列文虎克在信中说：“在一个人口腔牙垢里生活着从未见过的小生物，比整个荷兰王国的居民还要多！”

英国皇家学会接到来信阅后大惊，他们不敢相信天下竟有此事。于是派人前去荷兰德夫特探个明白，最后调查确认完全是事实。显微镜观察打开了微观世界的大门，奇迹轰动了欧洲科学界。

英国女王大驾光临、俄国彼得大帝亲自登门来到这座荷兰小城拜访了列文虎克，但其目的是为目睹显微镜下稀罕的微生物王国。1680年，英国皇家学会吸收列文虎克为会员，同年，他被法国科学院选为院士。

列文虎克不断地探索，并摸索到一条规律，若要观察到微小物体的细节，就得提高显微镜放大倍数和图像的分辨能力，其关键就在于镜片的磨制质量。1683年，列文虎克发现了比原生动物更微小的细菌。

据《世界发明之谜》记述：这位揭开微观世界神秘面纱的科学家，“一生共研磨镜片419枚；向英国皇家学会寄送研究论文375篇，寄送法国科学院27篇，著有《显微镜下发现的自然界秘密》一书。”1723年，列文虎克在故乡德夫特病逝，终年91岁。

1665年，英国科学家胡克制造了一架复式显微镜，他将两片凸透镜安装在两个不同口径的铁皮圆筒里，组成能自由滑动以调节两透镜间距的筒体；圆盘底座置一支立杆，支架抱箍固定筒体，并与立杆配合能做垂直滑移，可调节与观察物之间的距离。操作者使用时需作俯视观察。显微镜成像原理为：设置集光器(镜子)座盘，在观看时，将标本放在筒体物镜的焦点之外，于是从物体射来的光线经过折射，便在物镜后面形成一个放大了的实像。这个物像又恰恰落在目镜的焦距之内，再经目镜的放大作用，就可得到一个由肉眼能直接观看的虚像。整个显微镜的放大倍数等于物镜放大倍数与目镜放大倍数的乘积，而它的分辨能力取决于所用光的波长和物镜的光学性能。

由于透镜原因，这架显微镜未能获得较好的清晰度和倍率，但胡克在显微镜底下看到了昆虫的器官。后来，胡克又对显微镜筒体与支架作了改进，设计成倾斜角度的筒体，人们保持坐势便可通过目镜观察标本。《科学发展史》评述：“列文虎克没有发明第一台复合式显微镜，他的成就是制造出了高质量的凸透镜镜头。”“胡克则开创了显微镜未来的发展方向。”

1744年，科学家卡尔佩珀对胡克的显微镜结构作了改进，首次制成了一架座式显微镜，并得到广泛的应用和推广，它的外观奠定了现代光学显微镜的基础。

然而，显微镜的像差和色差，使观察的图像边缘模糊、轮廓不清，难以辨认物体的细节。18世纪末，荷兰科学家曾采用几种不同的玻璃材料，磨成凹凸透镜，然后将它们组合在一起，以清除像差和色差。

显微镜的研究和探索仍在继续。1830年，英国科学家利斯忒提出用两片透镜胶合成一块可起消色差作用的设计理论；19世纪末，德国物理学家阿贝对显微镜设计的理论和实践做出了重大的贡献。他认为，显微镜的功能不能只看放大倍数，还要考虑使物象的细节清晰可见程度的分辨率。阿贝强调了光的衍射对确定分辨率的重要性，他引入“数值孔径”(简写为NA)的概念，经过反复研制、试验，于1873年证明物镜的分辨率与NA成正比。同时，NA也表征物镜的集光能力。阿贝研制成油浸物镜，他与德国蔡司工厂合作，制造出一系列达到理论分辨率的新物镜。

经过几代科学家和工程技术人员的不断改进，复合式光学显微镜日趋完美。但是人们在实践中发现，光学显微镜无法观察到比细菌更微小的病毒。究其原因，光学显微镜的放大倍数最大不超过1400倍，而其主要问题是在光的衍射现象上，这是光的本质所决定的。由于光有这个特性，它在遇到极为微小的物体时就无法反射回来，因而不可能得到清晰的图像。这就使光学显微镜的分辨能力有了一个极限，它的数值大约是光波波长的一半，比它小的物体就无法分辨了。

科学家想到了电子，电子既是一种粒子，又是一种波，而且电磁的波长比长波要短得多。因此，用电子来代替光束，可使图像的分辨能力大大提高。根据这个原理制成的电子显微镜，则能看清万分之几微米的物体。1924年，物理学家德布罗意提出用6万伏高压加速电子，达到有效波长，用它成像以提高分辨率，这就是电子显微镜和电子光学的缘起。

德国科学家布许根据德布罗意理论进行了研制，他以电磁场来控制电子的运动方向，达到使电子束会聚的目的。经过探索研究发明了电磁透镜，并解决了一系列技术难题。1931年，世界上第一台电子显微镜诞生了。可是，电子显微镜放大倍数仅为5倍左右，与普通的光学显微镜相比并没有特别出色之处。

1932年，德国的包利斯和卢卡斯为了使电子束的波长更短，研制出电子加速器装备于电子显微镜，使其能把电子束的速度加快到几万倍，若采用电子显微镜照相，其放大倍数还可提高10倍。1935年，电子显微镜投入了应用，但科学家的探索和研制开发步伐从未停止过。1938年，德国的阿尔戴内发明了扫描式电子显微镜；德国的米拉发明了冷镜极型电子显微镜；1939年，德国的贝尔希又发明了阴影式电子显微镜。

在第二次世界大战后，一批又一批科学家投入到电子显微镜的研制、改进中，取得了显著的科技成果。其中德国学者宾尼希和瑞士学者罗雷尔的功绩最为突出。1982年，这两位学者设计并研制扫描隧道式显微镜，他们将变化信号输入计算机，绘出样品表面的形体轮廓，隧道效应放大倍数可达3亿倍，分辨间距为0.01埃。两位科学家为此荣获了1986年度诺贝尔奖。

电子显微镜使人们的观察向更纵深的微观世界挺进，同时光学显微镜也决不会进博物馆。人类文明进程中的伟大发明--显微镜，如今活跃在经济建设、国防、科研、医疗卫生、刑侦等各个应用领域，继续为人类揭示微观世界奥秘做出贡献。