电子显微镜诞生于多少年

电子显微镜首先由Knoll 及Ruska 在实验室研制成功,后来在1939 年由西门子公司开始批量生产 以下是电镜的几个重要发展讨论材料科学中的几次突破性进展。瑞典诺贝尔奖委员会把1986 年物理奖的一半颁发给E. Ruska 时的赞词是:“为了他在电子光学基础研究方面的贡献和设计出第一台电子显微镜”。上半句是指Ruska 在Knoll 指导下,从1928 年起他在柏林高压电机系高工实验室做的副博士论文工作中,从事阴极射线的聚焦研究。他先用一个磁透镜聚焦得出金属网的13 倍放大像,后来用双透镜得出1714 倍的放大像[1 ,2 ] ,在实验室中实现了电子显微成像。下半句是指他在1930 - 1933 年间在西门子公司与Von Borries 一起研制电子显微镜,引入极靴及投影镜,最后得出放大12 ,000 倍的像,分辨率超过光学显微镜,宣告第一台电镜的诞生(关于电镜的研制经过,见文献[ 3 - 8 ]) 。注意,这个赞词中回避了“发明”电子显微镜这个字眼,这不是一时马虎,而是深思熟虑的结果。因为西门子公司的M.Rüdenberg 已在1931 年5 月28 日向德、法、美等国的专利局提出用磁透镜或静电透镜制造电子显微镜的专利申请(这是第一次出现电子显微镜这个名词) ,并分别于1932 年12月和1936 年10 月获得法、美专利局的批准(德国专利局在当年5 月30 日收到申请) 。德国通用电气公司AEG于1930年在Brüche 领导下开始研究静电透镜成像,并在1931 年11月获得涂上氧化物的灯丝的发射电子像。在AEG公司的反对下,Rüdenberg 的两个电镜专利申请直到战后才在1953年和1954 年获得西德专利局批准。从专利优先角度来看,Rüdenberg 应是电镜的发明人。Rüdenberg 是一位著名的电子物理学家,除了在西门子公司任科技部总工程师,还兼任柏林高工电机系教授。无论在学识、经验和远见方面都很强。但是他从来没做过磁透镜成像工作, 他的专利申请全凭理论推测得出。据Rüdenberg 及他儿子事后说,1930 年他的另一个儿子得了小儿麻痹症,这是由一种过滤性病毒引起的,受到分辨率的限制,光学显微镜对此无能为力。Rüdenberg 为此曾想到用X射线或电子束制造分辨率更高的显微镜[8] 。但是,他从来没有发表过这方面的论文,在电镜界也不知名。对于Rüdenberg 的电镜专利申请,Ruska 及Knoll 是有看法的。因为在1931 年5 月里,Rüdenberg 的助手M. Steenbeck曾去Knoll 的实验室参观,了解到Ruska 的实验结果,并且看到了Knoll 将在6 月4 日做的有关Ruska 工作的学术报告手稿,题目是“阴极射线示波器的设计及新结构的原理”,在他们的第一篇论文中也没提到电子显微镜。就在Knoll 的6 月4 日学术报告的前几天,Rüdenberg 代表西门子公司在5月28 日向德、法、美等国的专利局提出了电子显微镜的专利申请。因此Knoll 和Ruska 产生一些怀疑也是可以理解的。不过,关于电镜发明权的争执没有继续下去。首先,Rüdenberg 在希特勒开始迫害犹太人后于1936 年移居英国,两年后去美,接着二次世界大战就爆发了。其次,Ruska 与Von Borries 在1937 年2 月开始加入西门子公司从事电镜开发工作,在1939 年制造出第一台分辨率为7 纳米、放大倍率为3 万倍的商品电镜。他俩与Rüenberg 先后属于一个公司(专利权主要属于西门子公司) 不便争论发明权问题。再就是二次世界大战随后爆发,战事的紧迫性掩盖了这种争议。此外,除了Knoll-Ruska 与Rüdenberg 争发明电镜的优先权外,西门子与AEG两大公司也在争论不休,为了平息这些争论当时德国的最高学术团体普鲁士科学院在1941年7 月3 日将莱布尼兹银质奖颁发给了AEG 公司的Brüche ,Mahl 及Boersch 和西门子公司Knoll ,Ruska ,Von Borries 及Von Ardenne ,结果是皆大欢喜。战后,Steenbeck 在前苏联工作直到1956 年7 月才回到东德。那时,Knoll 也从美国回到西德,他仍念念不忘Steenbeck 曾在Rüdenberg 申请专利前去他的实验室参观一事,因此在1960 年10 月17 日写了一封信给Steenbeck ,希望了解当时的具体情况。Steenbeck 在11 月8 日的复信中承认了他在参观后向Rüdenberg 做了汇报,并说“Rüdenberg 的(专利:译者加) 申请肯定是我访问你的结果,也肯定是从我的见闻中得到的启迪”[5 ] 。Steenbeck 的信一公布后,公众舆论一下都倾向Ruska一边,Ruska 也在研制出电镜五十年后得到诺贝尔奖。但是,Ruska 一直不以电镜发明人自居, 而只是说自己是“Urheber”(引路人) 。在他获得诺贝尔奖后做的诺贝尔演讲的标题是“电子显微镜的发展与电子显微学”[4]报告中未用“发明”这个词, 也没提到Rüdenberg。尽管如此, 虽然老Rüdenberg 过世,他的两个儿子在美国还是不断宣传他们父亲在电子物理方面的造诣及远见[8 ] 。一再说,在他父亲提出电子显微镜这个概念之前,Knoll 及Ruska 一直是在讲阴极射线示波器(如文献1 的题目) 。德国AEG公司的Brüche等也不服气,认为电镜的诞生不是Ruska 一个人的功劳。看来,Knoll 及Ruska 埋头实验,就事论事,发现了新现象后没有把它上升到理性认识。因此,起初他们的认识仍然局限于阴极射线管的聚焦现象,看不到它的普遍和深远意义。1925 年de Broglie 指出电子的粒子和波动双重性理论,1927 年Thompson 在英国及Davisson 和Germer 在美国同时发现电子衍射现象,在这之后,利用电子成像本是顺理成章的事。但是,Knoll 及Ruska 在从事阴极射线聚焦工作时并不懂得这个道理。当Houtermans 向Ruska 提出电子的波动性后,Ruska“先是大为失望,以为分辨率将又一次受到波动性的限制。但是,很快我又兴奋起来,因为根据de Broglie方程,我计算出电子的波长比光波要小5 个数量级”[3 ] 。Rüdenberg 是理论家,在电镜界似乎无人知晓,但是他在受到实验家的启发后,立刻想到利用电磁透镜制造电子显微镜,开辟了一个新领域。只是他拣了一个便宜,又不肯承认从实践中得到启发。尽管他参加了Knoll 在1931 年的报告会,坐在第一排,但讨论中一言不发,也不透露他已于一周前递交了电镜的专利申请。可见他城府很深,居心不良。但是他毕竟棋高一著,首先认识到可以用电磁透镜成像制造电子显微镜,而电子显微镜这个名称也首先出现在他的专利申请中。从这个事件也可以看出在科学研究中,实践与理论相结合的重要性。电子显微镜的发明开辟了直接观察原子的途径,早在几十年前就应得诺贝尔奖,由于有上述瓜葛,直到五十年后,所有其它有争议的人都已过世,才颁发给理应得此殊荣而又硕果仅存在的Ruska。Ruska 得奖后两年也就逝世了,幸亏他长寿,不然也就与诺贝尔奖失之交臂了。Ruska 毕生从事电子显微镜的研制和生产工作,但不但在实验室中研制成功第一台分辨率超过光学显微镜的电镜,并且亲自参加商品电镜的设计及制造工作。二次世界大战后,他又回到西门子公司,在1954 年生产出带有电子衍射功能的电镜Elmiskop ,采用双聚光镜以减小电子束照射面积和试样升温,使用冷阱以减少试样污染等,甚受用户欢迎,英国剑桥大学几年内就购置8 台这种电镜。Hirsch 等就是使用这种型号的电镜在1955～1956 年间观察到金属薄膜中的位错运动,证明位错理论的正确。在这之后,电镜在材料科学中应用才像雨后春笋一样地在全世界普遍开展起来,后来,Ruska 到马普学会Fritz2Haber 研究所任所长(二次世界大战后,劳厄任第一任所长) ,主管电子光学和电子显微学方面的研究工作,直到退休。象Ruska 自己承认的那样,他是一个工程师,理论造诣不高,但是他以一种少有的执著精神,在战争破坏、经费无着、人手短缺等情况下,在电镜技术方面不断创新,终于获得很伟大的成就。他获得诺贝尔物理奖是当之无愧的!

1937年