其中,λ 是光源辐射波长,μ 是介质折射率,β 是放大镜收集半角。μsinβ 称为数值孔径,近似为单位1。以人眼能观测的短波绿光为例,它的波长约为 550 nm,光学显微系统的最高分辨率约为300 nm。
图2 瑞丽判据[2]
当然我们也可以通过改变观测波长,利用紫外线、x射线等,也可增加折射率如油浸显微镜(n=1.5)。但总的来说效果有限。因此人类开发了多种技术尽可能地利用物质波对无机的物质世界、有机的生命体进行探测,人类科技发展也得益于对观测能力的不断提升。图1中的三张照片分别是(a)木质素植物, (b)木质素细胞, (c) 新冠病毒,它们的分辨率分别约为:100μm, 1μm, 0.01μm。图1(c)的分辨率达到10nm,远远小于人眼和光学显微镜的分辨率极限。这一清晰图片的获得,是电子显微镜的功劳。
显微技术发展大事记
下表列出获得诺贝尔奖的成像技术。
表1 获得诺贝尔奖的先进设备和成像技术
从公式(1)可以看出,提高分辨率的最主要的途径是减小显微镜光源的波长λ,如何实现可调波长λ和稳定输出光源是显微镜研究领域的关键核心技术。为此,人们基于物质波的理论,先后开发了电子束光源,离子束光源和中子束光源等先进的光源技术,这些先进的物质波光源照亮了微观世界,也为人们了解和认识微观物质世界打开希望之窗。
本文将分成如下4个部分: 1. 物质波的概念,2.物质波光源与显微技术,3.物质波的微观世界,4.展望。
01 物质波的概念--光源的产生的机理
世界是物质的,也是运动的。基于德布罗意的波粒二象性理论,运动的物质粒子既有粒子特性,也具有波的特性:粒子的动量p 和波长λ 通过普朗克常量联系起来,即
控制辐照光源粒子波长λ 唯一办法就是控制粒子的运动速度。以透射电子显微镜(TEM)中的电子束光源为例,电子被电场加速获得动能,即