显微镜的发明和发展过程

显微镜在科学研究和生产制造等领域的重要性不言而喻,但是显微镜的发展历程却跌宕起伏。从最早的简易显微镜到现代化高倍显微镜的出现,这个过程中涉及了许多名人和复杂的技术研发,本文将从以下6个方面详细阐述显微镜的发明和发展：组成结构和基本原理；最早的显微镜；发展至十七世纪的显微镜；光学理论的突破；电子显微镜的诞生；现代化高倍显微镜的出现。

组成结构和基本原理

显微镜的组成结构和基本原理非常简单,它主要由以下几个部分组成：一对光学透镜、目镜、可以移动的物镜、机械支架等。工作原理是通过物镜放大物体的光线,形成一个实物像,然后在目镜中放大这个实物像。

显微镜的放大倍数 取决于透镜的折射率 和曲率半径 。透镜的曲率半径越短,放大倍数越大。为了达到更高的放大倍数,制造人员不得不使用两块曲率半径非常小的相互对应的透镜板。一块呈扁平状,被称作“物镜”,而另一块相对厚大一些,应用于目镜中,是“目镜”。通过设计不同的透镜组合,可以实现高倍率和清晰度。

通过对焦节断来控制样品和 目镜间的距离,使样品的光线准确地汇聚到透镜表面上,然后更好地成像

最早的显微镜

最早的显微镜被认为是由16世纪末到17世纪初的荷兰商人扬·利帕雷创建的。他发现通过微型放大镜从极小的事物很容易得到令人惊讶的细节。 利伯克望远镜的发明是在基尔霍芬的工厂,当时的利伯克正在这里当雇员。1675年他发明了一种新型显微镜,它的放大率比以前的显微镜高一个数量级。这种显微镜基于两个凸透镜的组合,一个用于放大被观察物体,另一个用于观察放大后的影像。 尽管显微镜的基本结构非常简单,但是在那个时代,显微镜的制造非常困难。透镜的制作需要高精度的技术和良好的材质,这导致显微镜非常昂贵且难以得到。

发展至十七世纪的显微镜

17世纪的巨头分别是荷兰人Antoni Van Leeuwenhoek和英国人Robert Hooke。Van Leeuwenhoek发明了一种非常简单的显微镜,不需要很高精度的透镜和机械零件。他用微型钻头将钢丝和金线拉成到极小的孔径,制成了可以放大细胞的显微镜。至今,Van Leeuwenhoek被认为是最早发现细胞和微生物的科学家之一。相比之下,Hooke偏向于更加复杂的机制,证明了他能够在微观世界中看到的,包括茎, 孢子,根等。Hooke使用的是一种称为“合成灯”的光源,它能够放大被观察样本的亮光,并将其反射回透镜。

17世纪后期,还有许多其他人发明了各种各样的显微镜,例如Jefferys、John Hill和George Adams等人。

光学理论的突破

18世纪的欧洲充满了科学家,光学理论也在这个时代涌现出来。此前,科学家们使用透镜和凸镜等设备,以放大镜为基础的光学放大器进行更好地观察。然而,corpuscular和波粒二元论理论的发表,以及对光的自然性质进行大量研究,使成像质量得到了显著提高。

尼古拉斯·通特发表著名的工作Opticks,这是一项关于光学基础的重大研究,他提出了当时非常前沿的波粒二元论理论。结果,研究者们发现可以通过移动特别指定的透镜板、挂载石英玻璃和使用复合透镜等方法取得更优质的成像效果。

电子显微镜的诞生

传统的光学显微镜具有限制性：由于物体的尺寸和材质的限制,它们只能放大到一定的程度。这使得大多数样本在可见光下看起来像黑色的墨汁斑点。为了解决这个问题,电子显微镜的发明成为了必然的选择。电子显微镜使用电子束代替 光线,它的分辨率很高,可以放大到非常高倍率。

电子显微镜诞生的契机是20世纪30年代的一项关于电子照相的实验。最初的粒子束显微镜使用的是电子束,而不是传统光。使用电子束的好处在于它能够穿透比光更多的物质,以及它可以通过感应区域进行更精细的成像。电子显微镜的想法在1931年进展的比较平稳,这使得Ernst Ruska和Max Knoll于1932年发明了第一台 电子显微镜。该电子显微镜主要用于金属样品的研究。随后,随着技术的不断发展,电子显微镜的应用范围不断扩大,包括生物、物理、化学等不同领域。

现代化高倍显微镜的出现

现代的显微镜相比以前,有许多优势。由于新材料、技术和计算机的应用,现代显微镜能够更好地进行成像和展示,在显微成像的技术中处于领先地位。现代化高倍显微镜有数码化成像、自动对焦、光学稳定技术和3D成像等新功能。

目前,现代高倍率显微镜的性能和分辨率都已经达到了非常高的水平。但是,将来显微镜的使用领域仍然很广泛,它可以用于研究各种生物学问题、物理学现象和薄膜科技。此外,现代显微镜还承担着临床应用,如肿瘤组织学和病理学等许多任务,成为医生的重要工具之一。