拓展资源：位似与显微镜的发展

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1、位似与显微镜的发展我们的眼睛能看到数百万光年外的星系，却不一定能看到眼前细小的物体。在大尺度上观察物质的运动，毫无疑问能得到强烈的美感。那么从极其微小的尺度上呢？威廉·布莱克在一首诗中写道：一花一世界，一沙一天堂，掌中握无限，霎那成永恒。——《天真的预言》(AuguriesofInnocence)，1863如果除去其中的神秘主义和宗教意味，那么这首诗恰好与微观世界的某些特点不谋而合。例如一朵花包含数以万计的细胞，而一粒沙确实是由无数的氧原子和硅原子组成的(SiO2)。不过，即使把一朵花握于掌中，你也决不会肉眼分辨出其中的“世界”。一个视力正常的人，只能看清大约25厘

2、米之外的物体，如果继续靠近，晶状体就无法把物体的像正确的投影在视网膜上。即使在25厘米的明视距离上，你也只拥有1分的分辨率。或者说，在这个距离上，你恰好能把两条相距0.075毫米的线分开。从生物学的角度可以解释这种现象。当两条线的距离小于0.075毫米的时候，它们的像就会落在视网膜的同一个视觉感受器—视锥细胞或者视杆细胞—上面。那么你就没法把它们分辨开来。很早以前，人们就知道某些光学装置能够“放大”物体。比如在《墨经》里面就记载了能放大物体的凹面镜。至于凸透镜是什么时候发明的，可能已经无法考证。凸透镜——有的时候人们把它称为“放大镜”——能够聚焦太阳光，也能让你看到

3、放大后的物体，这是因为凸透镜能够把光线偏折。你通过凸透镜看到的其实是一种幻觉，严格的说，叫做虚像。当物体发出的光通过凸透镜的时候，光线会以特定的方式偏折。当我们看到那些光线的时候，或不自觉地认为它们仍然是沿笔直的路线传播。结果，物体就会看上去比原来大。单个凸透镜能够把物体放大几十倍，这远远不足以让我们看清某些物体的细节。公元13世纪，出现了为视力不济的人准备的眼镜——一种玻璃制造的透镜片。随着笼罩欧洲一千年的黑暗消失，各种新的发明纷纷涌现出来，显微镜(microscope)就是其中的一个。大约在16世纪末，荷兰的眼镜商詹森(ZacchariasJanssen)和他的

4、儿子把几块镜片放进了一个圆筒中，结果发现通过圆筒看到附近的物体出奇的大，这就是现在的显微镜和望远镜的前身。詹森制造的是第一台复合式显微镜。使用两个凸透镜，一个凸透镜把另外一个所成的像进一步放大，这就是复合式显微镜的基本原理。如果两个凸透镜一个能放大10倍，另一个能放大20倍，那么整个镜片组合的的放大倍数就是10*20=200倍。复合式显微镜1665年，英国科学家罗伯特·胡克(人们可能更熟悉他的另一个发现：胡克定律)用他的显微镜观察软木切片的时候，惊奇的发现其中存在着一个一个“单元”结构。胡克把它们称作“细胞”。不过，詹森时代的复合式显微镜并没有真正显示出它的威力，它

5、们的放大倍数低得可怜。荷兰人安东尼·冯·列文虎克(AnthonyVonLeeuwenhoek，1632-1723)制造的显微镜让人们大开眼界。列文虎克自幼学习磨制眼镜片的技术，热衷于制造显微镜。他制造的显微镜其实就是一片凸透镜，而不是复合式显微镜。不过，由于他的技艺精湛，磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍，超过了以往任何一种显微镜。当列文虎克把他的显微镜对准一滴雨水的时候，他惊奇的发现了其中令人惊叹的小小世界：无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了英国皇家学会，引起了一阵轰动。人们有时候把列文虎克称为“显微镜之父”，严格的说，这不太正确。列文虎克没有发明第

6、一个复合式显微镜，他的成就是制造出了高质量的凸透镜镜头。在接下来的两个世纪中，复合式显微镜得到了充分的完善，例如人们发明了能够消除色差(当不同波长的光线通过透镜的时候，它们折射的方向略有不同，这导致了成像质量的下降)和其他光学误差的透镜组。与19世纪的显微镜相比，现在我们使用的普通光学显微镜基本上没有什么改进。原因很简单：光学显微镜已经达到了分辨率的极限。如果仅仅在纸上画图，你自然能够“制造”出任意放大倍数的显微镜。但是光的波动性将毁掉你完美的发明。即使消除掉透镜形状的缺陷，任何光学仪器仍然无法完美的成像。人们花了很长时间才发现，光在通过显微镜的时候要发生衍射——简

7、单的说，物体上的一个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近，你就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再高也无济于事了。对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是0.2微米。任何小于0.2微米的结构都没法识别出来。提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。1938年，德国工程师MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一台透射电子显微镜(TE