第一台電子顯微鏡：科學史上的今天：4/7

魯斯卡（右）與其教授Mark Knoll的電子顯微鏡。圖／Ernst Ruska Archiv eV

自從十六世紀末顯微鏡問世以來，人們才驚訝地發現，原來在生活周遭潛藏著肉眼看不見的大千世界。虎克看見排列整齊的植物細胞，雷文霍克發現水中充滿微生物；隨著顯微鏡不斷地改善，我們也一直往萬物的內部深入，但這樣的進程終於撞上了一堵牆，一堵無法翻越的牆──可見光的波長限制。

就像你無法用油漆刷子描出螞蟻的輪廓；當物體本身或是兩個物體之間的距離小於可見光波長的二分之一，無論顯微鏡的透鏡與照明可以做到如何完美的程度，看起來也只是模糊一團。白光的平均波長是0.55 微米，因此0.275 微米就是那道牆，就是光學顯微鏡無法突破的極限。想要飛越這道牆，只能另起爐灶，關鍵在於找到更短的波長。

科學的發現或發明往往源自於無心插柳。1928 年，還是大學生的魯斯卡(Ernst Ruska, 1906－1988) 在教授Mark Knoll 的指導下，研究如何利用陰極射線做出示波器。當時已經知道所謂陰極射線就是電子束，而且可以用磁場控制電子的飛行方向。然而要用電子束即時在螢光幕上畫出正確的波形，電磁線圈就得讓電子束精確的聚焦在特定的點上，就如同光束經過凸透鏡而聚焦在一點上；此時電磁線圈也就與凸透鏡一樣具有放大的效果。

經過三年的努力，魯斯卡終於在1931 年的今天做出史上第一台電子顯微鏡的原型機；但它的放大倍數只有14.4 倍，即使是特別備制的樣本，也只能放大17 倍，遠遜於光學顯微鏡，因此他與指導教授都還刻意避免使用「電子顯微鏡」這個字眼。當魯斯卡在暑假得知德布羅意的物質波理論後（德布羅意於1929 年就因為這個理論獲頒諾貝爾物理獎，魯斯卡與教授竟然都未注意！），才知道電子既是粒子，也是一種波，而且波長只有可見光的十萬分之一。這代表電子顯微鏡勢將遠遠超越光學顯微鏡！

受此激勵，魯斯卡終於在1933年做出第一台突破光學顯微鏡極限的穿透式電子顯微鏡。隨著技術的進步，如今電子顯微鏡已可放大達數百萬倍，並有不同原理的掃描式電子顯微鏡，成為物理、化學、生物、醫療、……等各種不同領域突飛猛進的重要關鍵。魯斯卡因此於1986年與發明掃描穿隧式顯微鏡的兩位科學家一起獲頒諾貝爾物理獎。值得一提的是，光學顯微鏡並未就此罷休；2014年的諾貝爾化學獎就是頒給在光學顯微鏡上另闢蹊徑，突破極限的科學家。

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