显微镜的发明和改进

显微镜的发明史 显微镜是近代科学技术研究的重要工具，自十七世纪发明以来，迄今已历三百多年，医学借助于显微镜，得使人们深入到物质世界的微观结构，从而出现了近代的组织学、胚胎学、微生物学与病理学等，大大地深化了人类对于物质世界的认识，揭示了许多生命活动的规律。
显微镜是近代生产力和科学技术发展的产物，玻璃是制造光学透镜的原料，光学知识是制造显微镜的理论基础。据考古学发掘，古埃及人已能制造玻璃，后来腓尼基人和罗马人对于玻璃的制造工艺也作过某些改进。中国在西周墓葬中也发现许多玻璃饰品。但是，古代人均不能制造出质地纯洁透明的玻璃。然而，在光学玻璃出现以前，人们已应用水晶、玉石以及铜镜等磨制镜面，并从中获得了初步的光学知识。罗马哲学家塞涅卡(Seneca，公元前四年至公元六十五年)记载阿基米德(Archimedes，公元前281～212年) 曾用“燃烧玻璃”烧毁了罗马舰队。塞涅卡已知通过注满水的玻璃球，可使小而不清楚的文字成为大而清楚的文字。表明古人很早就知道透镜具有聚光、放大物象的性能。
阿拉伯人向腓尼基人学会了玻璃制造法，十一世纪阿拉伯的阿尔哈曾(Ibn al-Haitham公元935～1039)的光学著作中，曾提到透镜的放大能力以及光的折射现象。到了十二世纪，阿拉伯人的玻璃制品曾占领欧洲市场。
人们在应用玻璃制造光学显微镜前，先用玻璃制造眼镜。但是，由于玻璃制造工艺的限制，初期的眼镜曾用碧玉、水晶、宝石作原料。据欧洲文献记载，英国学者格罗西泰斯特(Grosseteste,R. 1175～1253)和他的学生培根(Bacon,R.1214?～1294)曾对透镜作过系统研究。培根在《大著作》(Opus majus)一书中，即叙述了光的反射定律和折射现象，他确定了反光镜的焦点位置，已注意到凸透镜和凹透镜的本性，培根曾借助于眼镜来阅读书信。
十三世纪，由于玻璃制造工艺的进步，始用玻璃作为镜片。据欧洲文献记载，意大利人在1300年已开始使用眼镜。据威尼斯城的档案资料，当时已有专门制造眼镜的行会。又从佛罗伦萨教堂内发现的阿尔玛蒂(Armati,S.d.卒于1317年)的墓碑上，刻有“眼镜发明者”的铭文。又从十四世纪以后的肖像画上，描绘有戴眼镜的神职人员，表明十四世纪以后，威尼斯人已经制造与使用眼镜了。眼镜的普及，为显微镜的发明创造了条件。
显微镜的发明者 迄今尚未查明。据载荷兰朱德尔堡眼镜商汉斯·简森(Hans Jansen)之子查卡里亚斯·简森(Zacharias Jansen,1580～1638)于1590年某日在铺内玩弄透镜，偶然将两块大小不同的凸透镜重叠在适当距离，发现远处钟楼近在眼前，且其像增大许多。老简森遂将透镜安装在细管内，以幻镜出售给市人。另一说望远镜系简森的邻居眼镜商里伯席(Lippershy,H.约1570～约1619年)发明的。也有人说他剽窃自简森。但无论里伯席是否发明了望远镜，他将此镜奉献给荷兰政府作战争的武器，从而使整个欧洲知道了望远镜。
1609年6月伽里略访问威尼斯，听到有关望远镜的消息，当他返回帕多瓦后，即自行研制，终于制成了望远镜。伽里略同时又制造了放大约七十倍的显微镜，并于1610年应用显微镜研究微小生物。据载德国的耶苏会神父柯切尔(Kircher,A. 1602～1680)于1625年用半球形的透明容器盛水和两个低倍玻璃透镜片组成最初的显微镜。
十七世纪很多学者致力于显微镜的改进与微观世界的研究。1625年法伯(Faber.J.)首先命名了“显微镜”(Mi-croscope)。简森和伽里略所创制的是复式显微镜，是由二块透镜（凹透镜与凸透镜各一块）组成。1665年英国的胡克(Hooke,R.1635～1703)也仿制了一批复式显微镜，可放大140倍。胡克改进了采光法，在镜旁点一盏油灯，灯前置一盛水的聚光玻璃球。胡克应用此镜首先观察到细胞。同年，意大利的马尔比基(Malpighi,M. 1628～1694)也制造了一种较好的复式显微镜。但是，早期的复式显微镜由于光学上的原因，终不能得到清晰的图象，尤其是放大倍数越高，物象为反射光所照跃，出现虹彩似的光辉，色散现象掩蔽了所要观察的物象。
十七世纪中叶，人们觅得了单式显微镜的制造诀窍，这种显微镜实质上是一块球形小玻璃，大都由学者自己手磨，一般都用透镜视野中部来观看物体。荷兰的雷文虎克(Leeuwenhoek,A.V. 1632～1723)是当时制造单式显微镜的能手，他一生制造的显微镜多达250具之多，最高可放大200～300倍。雷文虎克用这种显微镜作出了许多重要发现。
复式显微镜存在的色差，牛顿断言是无法消除的，他认为颜色的展开是白光折射时所固有的。1733年英国的霍尔(Hall,C.M.1703～1771)应用不同色散的玻璃分别磨成凸透镜与凹透镜，然后合并成双凸透镜，首先制成“消色差透镜”。英国的光学仪器制造家杜伦德(Dolland,J.1706～1761)根据霍尔的球面差计算方法，建立了消色差透镜的理论，并于1757年制成了消色差显微镜。十九世纪以来，英国的高林(Goring)和李斯德(Lister)，意大利的爱米西(Amici,G.B.1786～1863)，法国的雪立其(Selligue)、文生(Vincent)和雪佛里(Chevaller)等，对于色差显微镜的研制，均有贡献。爱米西又首先采用曲面镜试制了一架反射显微镜，因放大率太低，未引起人们注意。1850年爱米西又发明水浸法来观看物体。包希(Bausch)和龙倍(Lomb)采用辉照聚光器增强光源，又把凸透镜和反射镜联合使用，使显微镜的放大率提高到500～700倍，从而使显微镜逐步发展成现代形式。
近代显微镜 显微镜的改进，当推德国耶那大学物理学教授阿伯(Abbé,E. K.1840～1905)的贡献最多。1846年耶那大学的机械工人蔡斯(Zeiss,C.1816～1888)在莱比锡西南创设蔡斯工厂，阿伯参加了该厂的工作，致力于光学仪器的研制。他在1868年采用萤石做成三联式复式透镜，称为三消色差透镜或灭色透镜。1872年阿伯又发明聚光器。1873年阿伯又采用甘油作为媒质，发明油浸接物镜，提高了显微镜的鉴别力。1841年英国的物理学家尼柯(Nicol,W. 1768～1851)知道方解石在光学上具有双重屈折现象，于是人们将方解石分别装置在镜台和镜筒中，制成偏光显微镜。1892年，阿伯又确立了相差显微镜的原理，1941年戈勒(Koehler)和鲁斯(Löos)制成相差显微镜。1937年汉姆尼(Hamly)、希尔德(Sheard)用紫外线作光源，创制了萤光显微镜。1947年，英国的物理学家伯奇(Burch,C.R.)制成第一架反射显微镜。现代显微镜品类繁多，如离心显微镜、比较显微镜、落射显微镜、摄影显微镜、读数显微镜等，这些不同性能的显微镜，是近代科学技术研究的重要工具。
光学显微镜是利用光线来看物体的，当物体小于光的波长0.2μm时，光波就会绕过物体，也就无法看到物象。这个界限正处于能辨别细菌中一些最小的细菌和立克次氏体。但是，生产实践和科学实验要求人们进一步深入微观世界，揭示物质结构与生命活动的奥秘，电子显微镜也就应运而生。
二十世纪二十年代，法国物理学家德布罗意(De Brog-lie,L.V.1892～1960)发现电子流也具有波动性，这种电子波的波长远比光波为短，也比X射线的波长为短，于是，人们就想到用电子流来代替光。1926年德国的蒲许(Busch,H.)发现电子流经过磁场或电场时可以发生屈折，人们就想到利用磁场和电场来聚散电子流以代替光学显微镜的透镜。根据这个原理，终于制造出电子显微镜。1931年德国的库诺尔(Knoll,M.1897～1969)、卢斯卡(Ruska,E.1906～)首先制成电子显微镜，当时只能放大17倍。1933年，卢斯卡制成短焦距电子显微镜，为二级放大的电子显微镜，放大倍数达到一万倍。1939年西门子公司制造出分辨率达30Å的实用电子显微镜。据理论值计算，电子显微镜的分辨极限在3A左右，这与原子的大小处于同一数量级，表明电子显微镜能看到原子，这无疑是探索微观世界的强有力的武器。进入二十世纪五十年代，由于电子显微镜的各种应用技术的不断发明，如超薄片技术的改善，各种独特的样品制备方法的发明，使电子显微镜的应用进入到新阶段，从而使生命科学进入分子生物学时代。七十年代，超高压电子显微镜的问世，强有力的电子束能穿透金属表面，为研究晶体结构和晶体缺陷开辟了广阔的途径，在生物结构的研究上，已成功地对活细胞进行了观察。近年来，由于引入电视技术和超导技术，使电子显微镜的面貌大为改观，它已成为今天科学研究中不可缺少的武器 。