电子显微镜的发展历程

“科学之眼“越来越亮

——电子显微镜的发展历程

摘要：Ruska和Knowll在1932年（有说是1931年和1933年的）研制成功第一台电

子显微镜。经过半个多世纪的发展，已广泛应用到自然科学的许多学科中，并且极大推动了这些学科的发展。在七十年代电子显微镜终于实现了人们直接观察原子的长期愿望，电子显微镜成了“科学之眼”。一门新兴的电子显微学因此而诞生。而Ruska也因此而获得1986年诺贝尔物理奖。在生命科学，由于电子显微镜技术的迅速发展和应用，改

变了细胞学、组织学、病毒学、分类学和分子生物学等的面貌，促使生物学从细胞水平进入到分子水平；它也成为生物学、医学、农林等学科研究工作中极为重要的手段。近年来，我国拥有越来越多的电子显微镜，应用也越广泛，不少高等院校都相继开设相关的课程。“科学之眼”不仅在外国，在我国也会越来越亮，开花结果，前途光明。

关键词：电子显微镜扫描电子显微镜透射电子显微镜扫描透射显微镜

正文：电子显微镜问世已有半个多世纪了，但其应用于医学、生物学，尤其是细胞

学的研究方面才只有二十余年的历史。我国学者在六十年代初期开始这方面的工作。下

面我们来看一下电子显微镜的总体发展历程。

一．电子显微镜的总体发展历程

人类对于生物微观世界的认识过程，有着一段漫长的历史。荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek)在300年前创制成功世界上第一架显微镜，发现了当时人们还不知道的微生物世界。这是显微镜第一次显示其巨大作用。

早在一百年以前，朴率克(Plucker)就曾在盖斯雷管的阴极近管壁上发现过一种黄

绿色的光辉，但他当时对这一现象并无认识，未予重视。自从1924年德布罗意提出了

电子与光一样，具有波动性的假说和1926年Busch发现了旋转对称、不均匀的磁场可

作为一个用于聚焦电子束的透镜，就为后来的电子显微镜的问世奠定了理论基础，这就打开了电子光学的大门。经六年后，到1932年克诺露(Knoll)及鲁斯卡(Ruska)等人首

次发表了关于电子显微镜的实验和理论研究，并试制成功第一台电磁式电子显微镜。为了获得较大的放大能力，人们又研究制造了短焦距的电磁透镜，它除了会聚透镜外，再利用两个透镜作连续两次的造像。到1934年鲁斯卡和马顿(Marton)分别制成了新型复式电子显微镜。近代的电磁式电子显微镜在具体结构上已经有了很大改进。

Ruska和Knowll在1932年（有说是1931年和1933年的）研制成功第一台电子显微镜。经过半个多世纪的发展，已广泛应用到自然科学的许多学科中，并且极大推动了这些学科的发展。在七十年代电子显微镜终于实现了人们直接观察原子的长期愿望，电子显微镜成了“科学之眼”。一门新兴

的电子显微学因此而诞生。而Ruska也因此而获得1986年诺贝尔物理奖。在生命科学，由于电子显微镜技术的迅速发展和应用，改变了细胞学、组织学、病毒学、分类学和分子生物学等的面貌，促使生物学从细胞水平进入到分子水平；它也成为生物学、医学、农林等学科研究工作中极为重要的手段。近年来，我国拥有越来越多的电子显微镜，应用也越广泛，不少高等院校都相继开设相关的课程。“科学之眼”不仅在外国，在我国也会越来越亮，开花结果，前途光明。

如果说，光学显微镜是人类对微观世界的认识有了第一次飞跃，那么可以说，电子显微镜是人类对微观世界的认识有了第二次飞跃。的确，光学显微镜使人类看到了肉眼看不到的细菌和细胞，揭开了许多生物界的“谜”，但是因为光学显微镜的分辨率受光波波长的限制，使更多的“谜”仍无法解开。而电子显微镜是以电子束作为光源的，电子束的波长比可见光的波长短得多，使电子显微镜的分辨率大幅度提高。从此，人类用电子显微镜揭示了细菌、噬菌体、类病毒、DNA和蛋白质大分子等，甚至获取了“原子

核和电子云”的原子像。

总体历程了解后，下面我们来关注一下透射电子显微镜的发展历程：

二．透射电子显微镜的发展历程

1924年，德国科学家德布罗意(De Broglie)指出，任何一种接近光速运动的粒子都具有波动本质。1926---1927年，Davisson和Germer以及Thompson Reid用电子衍射

现象验证了电子的波动性，发现电子波长比X光还要短，从而联想到可用电子射线代替可见光照明样品来制作电子显微镜，以克服光波长在分辨率上的局限性。1926年德国学者Busch指出“具有轴对称的磁场对电子束起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像”，

为电子显微镜的制作提供了理论依据。

1931年，德国学者诺尔(Knoll)和鲁斯卡(Ruska)获得了放大12～17倍的电子光学系统中的光阑的像，证明可用电子束和电磁透镜得到电子像，但是这一装置还不是真正的电子显微镜，因为它没有样品台。1931—1933年间，鲁斯卡等对以上装置进行了改进，做出了世界上第一台透射电子显微镜（简称透射电镜）。1934年，电子显微镜的分辨率已达到500Å，鲁斯卡也因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。

1939年德国西门子公司造出了世界第一台商品透射电子显微镜，分辨率优于

100Å.1954年又产生了著名的西门子ElmiskopⅠ型电子显微镜，分辨率优于10Å.在英国，透射电子显微镜的研究始于1935年，1946年设计了第一批商业透射电子显微镜，导致了EM型电镜的系列生产。在荷兰，1944年研制成第一台电镜，后来生产了著名的Philips EM和CM型透射电子显微镜。我国的透射电子显微镜研制始于20世纪50年代，1977年

已作出了分辨率为3Å的80万倍的透射电镜。

目前世界上生产透射电镜的主要是这三家电镜制造商：日本的日本电子(JEOL)和日立(Hitachi)以及美国的FEI（这家公司把荷兰的菲利浦电镜公司收购了）。他们生产的

透射电镜大致可分为三类。

（1）常规的TEM：加速电压为100～200kV。代表性产品有日本电子的JEM-2010，日立的H-8000，菲利浦的CM200，FEI的TECNAI20.200kV透射电

镜的分辨率可达1.9Å.

（2）中压TEM：加速电压为300～400kV。代表性产品有日本电子的JEM-3010、JEM-4000，日立的H-9500，FEI的TECNAI F30。300kV透射电镜的分辨率可达1.7Å，400kV透射电镜的分辨率可达1.63Å.

（3）高压TEM：加速电压为1000kV。代表性产品有JEM-1000，日立公司还制造了世界上最大的3000kV的透射电镜。目前1000kV的透射电镜最高

分辨率可达1Å.

目前用的最多的透射电镜是200kV和300kV的电镜，高压电镜由于价格昂贵，

体积庞大，用得很少。

1949年以前，由于很难制备出能让电子束穿过的薄金属样品，开始用透射电镜直接观察试样。随后，荷兰的Bollnan和英国剑桥大学的赫什(Peter B.Hirsch)研究组进一步发展这一技术。特别是Hirsch研究组，发展了电子衍衬理论，可以解悉电子束穿过试样形成的电子衍衬像，开创了用透射电镜直接观察试样的时代，为电

子显微镜在材料学的应用打下了基础。

20世纪70年代，美国亚利桑那州立大学的考利(John Cowley)和澳大利亚墨尔本大学的穆迪(Alex Moodie)建立了高分辨电子显微想的理论与技术，发展了高分辨电子显微学。20世纪80年代，发展了高空间分辨分析电子显微学，人们可采用高分辨技术、微衍射、电子能量损失谱、电子能谱仪等对很小范围内（约1nm）的区域进行电子像、晶体结构、化学成分的研究，将电子显微分析技术在材料学中的研究大大地拓展了。20世纪90年代，由于纳米科技的飞速发展，对电子显微分析技术的要求越来越高，进一步推动了电子显微学的发展。目前，透射电镜已发展到了球差校

正透射电镜的阶段。

早在1935年，Knoll在设计透射电子显微镜的同时，就提出了扫描电子显微镜的原理及设计思想。下面我们来关注一下扫描电子显微镜的发展历程。

三．扫描电子显微镜的发展历程

如果说光学显微镜处于“老年”、透射电镜处于“壮年”时代的话，那么扫描

电镜是刚进入“青少年”的时代。

扫描电子显微镜(scanning electron microscope,简称扫描电镜/SEM)的基本组成是透镜系统、电子枪系统、电子收集系统和观察记录系统，以及相关的电子系统。现在工人扫描电镜的概念最早是由德国的Knoll在1935年提出来的，1938年Von Ardenne在透射电镜上加了个扫描线圈做出了扫描透射显微镜（STEM）。第一台能观察厚样品的扫描电镜是Zworykin制作的，它的分辨率为50nm左右。英国剑桥大学的Oatley和他的学生McMullan也制作了他们的第一台扫描电镜，到1952年他们的