1. 你眼前这只色彩斑斓的蝴蝶，当我们用光学显微镜放大它的翅｜科普

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1. 你眼前这只色彩斑斓的蝴蝶，当我们用光学显微镜放大它的翅膀，可以看到它是由无数微小的鳞片组成。我们继续用电子显微镜进一步放大，绚丽的色彩开始消失，随着不断放大，鳞片开始呈现意想不到的形态。当我们放大一百万倍后，原来这些鳞片里包含了无数不规则却又有序的结构。记住这只蝴蝶，它是我们接下来探索微观世界的关键。

2. TEM 透射电子显微镜工作原理类似于我们去医院拍的 X 光片，它先是释放电子形成一个电子束，电子束经过一系列精密设计的磁透镜加速后，速度达到光速的 70%，然后聚焦在一个极小的区域中，也就是我们的观察样品上。此时根据样品内部不同的材料和密度，电子在穿过时会与样品中的原子相互作用，导致电子发生不同形式的散射，从而衍射出样品的图像。但此时的图像还是太小，无法直接观察到。电子束还要经过多个物镜，将眼色图像逐级放大，直至扩大 50000 倍，最终被显微镜底部 5 厘米大的高分辨率相机传感器捕获，我们就获得了微观世界的图像。

3. 此时你是否会有疑惑，为什么要大费周章的加速电子而不是直接使用可见光成像？因为光的物理特性，导致它的放大倍数被限制在 2000 倍左右，而电子则可以放大 200 万倍。为何有如此巨大的区别？这要从我们开头的蝴蝶说起。这是相机拍摄的蝴蝶，这是用光学显微镜放大的翅膀鳞片，以及电子显微镜放大的鳞片。此时电子显微镜中鳞片的基本单元为 100 纳米，而可见光的平均波长大约为 540 纳米，这远大于鳞片组织的 100 纳米，所以可见光无法衍射出如此微小的结构。而在电子显微镜中，被加速到 70%光速的电子，它的波长为 2.5 皮米，相当于可见光波长的二十万分之一，所以它可以衍射出更精细的结构。

4. 接下来我们看一下电子的加速过程。在显微镜的顶部是一个场发射源，里面是一个钨丝制成的电子枪，它的底下有一个产生强电场的提取器。当它们开始工作，提取器产生强电场，将带负电的电子从电子枪中提取出来形成电子束。电子束通过中间的孔向下传播，而下面则是多个能产生正电磁场的金属环，它们之间强度逐级递增，电压相差数万伏。带正电的金属环吸引带负电的电子，电子获得巨大的动能，电子束被逐渐加速直至达到光速的 70%。

5. 至于为什么要加速到如此高的速度？首先是这样才可以穿透样本，无论是晶体管、蛋白质、晶格或是其他被切成 100 纳米厚度的物体。其次则是电子也会表现出波的特性，速度越快，波长就越短，可实现的分辨率就越高。

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2024-09-19

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