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第57章 现代光学显微镜分辨的最小极限

科学家经常使用光学显微镜来观察微生物。将一滴看似洁净的雨水放到显微镜下,那些人的肉眼无法分辨的细菌等极微小物体立即清晰地呈现在人们的眼前。

这种神奇的显微镜是科学家进行实验研究的重要工具,你知道它的来历吗?

早在中世纪,欧洲人就已掌握了很成熟的玻璃制造工艺,能够制作出放大镜、眼镜等。伽利略曾利用这些玻璃镜片发明了最早的望远镜。其实简单的显微镜与望远镜的光学原理差不多,都是将一组玻璃制成的凹凸镜片巧妙地结合在一起,使光线发生折射、反射,令从物体而来的光线聚焦形成放大的物体镜像。最早的光学显微镜据说是由荷兰工匠发明的,随后便在欧洲各国流传开来。

很多早期的欧洲科学家都曾自行制作过显微镜,例如17世纪的英国生物学家胡克利用自制的显微镜观察动植物的微观结构,首次发现了人们过去看不到的许多微生物和构成生物的基本单元——细胞。荷兰科学家列文虎克先后自制了上百架显微镜,最高能放大300倍,他利用自制的显微镜首次观察到细菌和原生动物等。此后,历代科学家都对光学显微镜进行了改进,使其进行细微观察的能力大为提高,为生物学家和医学家发现病菌和微生物结构提供了有效的工具,导致了19世纪细胞学、微生物学等新型学科的出现。

不过,在逐渐提高光学显微镜分辨能力的过程中,科学家们也开始发现,光学显微镜的放大倍率并非可以无限增加。19世纪70年代,德国科学家阿贝从理论上证明光学显微镜的分辨能力是有极限的,因为光具有一定的波长,光的衍射会使任何尺寸小于光波长一半的物体细节变得模糊不清。我们知道,可见光中波长最短的是紫色光,约为3.9×10-7m,因此光学显微镜可分辨的两点间距最小不会小于2×10-7m,最大放大倍率不会超过1500倍。

进入20世纪后,光学显微技术得到了进一步的发展。人们为了克服光学显微镜的观察极限,发明了紫外光显微镜,使分辨率提高到0.1μm,放大率可提高至2000倍。1932年,荷兰物理学家泽尔尼克发明了相衬显微镜,并因此获得了1953年的诺贝尔物理学奖。后来,人们又相继研制出荧光、红外光、偏光和激光显微镜。20世纪70年代后,又陆续研制出共焦点激光扫描显微镜、暗场显微镜、相衬和微分干涉显微镜、录像增加反差显微镜等采用最新技术的光学显微镜,帮助科学家更好地研究微观物质世界。

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