显微镜在中国

显微镜在中国作者：戴吾三来源：《科学》2015年第06期显微镜发明于西方，明末清初传人中国。

然而在很长时间里。

显微镜对中国人来说只是观察细微之物的新奇玩具。

显微镜用于科学教育和研究始于新式教育和西式医院兴起之后，随着1920-1940年代赴海外学习科学技术的留学生回国，显微镜才真正应用于科学研究中。

经几代人努力，中国不仅能制造光学显微镜，而且研制成功电子显微镜、扫描隧道显微镜。

科研人员利用这些显微仪器做出了具有世界水平的科研成果，中国电镜学科的人才也茁壮成长，在国际上崭露头角。

显微镜传入中国明末清初，随着交通和贸易的发展，西方传教士来到中国，他们不仅传播宗教，也带来西方的科学知识和新器物。

面对西方的新发明，皇室和士大夫们免不了好奇，并间接促使江南地区的能工巧匠进行仿制。

明代末年苏州巧匠孙云球（约1630-1662年）用水晶制作眼镜，又仿制西方的“千里镜”（望远镜）、“存目镜”（放大镜）、“察微镜”（显微镜）等，他总结制镜经验，写成《镜史》一书，可惜已佚。

科学史家李约瑟认为，孙云球制作的“察微镜”是一种复式显微镜。

“察微镜”是显微镜的初名，清代文人李渔在其所著《十二楼·夏宜楼》第二回“冒神仙才郎不测，断诗句造物留情”中将其改称为“显微镜”，该书现有清顺治十五年（1658年）的版本。

书中，作者为了表明自己对“千里镜”的了解，有意在故事之前用了一段较长的文字述说当时光学器具之背景，其中对“显微镜”的描述如下：显微镜大似金钱。

下有二足，以极微极细之物置于二足之中，从上视之，即变为极宏极巨，虮虱之属，几类犬羊；蚊虻之形，有同鹳鹤。

并虮虱身上之毛，蚊虻翼边之彩，都觉得根根可数，历历可观。

所以叫做“显微”，以其能显至微之物而使之光明较著也。

李渔所描述的“显微镜”值得我们注意，这不仅仅因为它出现在孙云球的“察微镜”名称之后不久。

据李约瑟的说法，1619年显微镜已在伦敦出现，“直到1625年该仪器才有了显微镜（microscopium）这个名称”，该年欧洲人用显微镜观察蜜蜂的微细构造。

李约瑟又述及亚洲的情况，认为“显微镜的最早图画及其观察物体的最早说明，出现在日本医生森岛中良（1754-1808）所著并于1787年出版的《红毛杂话》书中（红毛，尤指荷兰人）”。

现在看来，李渔对“显微镜”定名之早，用它观察“虮虱身上之毛，蚊虻翼边之彩，都觉得根根可数，历历可观”，比森岛中良的相关描述要早130年，比欧洲人用显微镜观察蜜蜂的记载只晚33年。

虽然由上可知中国应用显微镜进行观察不比欧洲晚多少年，然而受传统学术和近代工业发展的限制，其后很长时间内。

中国人只满足于将它用于对细微之物的好奇观察中，没有想到将其用于科学研究，也没有（实则也不可能）跟进西方的显微镜制造技术。

直到19世纪末20世纪初，中国兴办新式教育和西式医院，才开始较多地使用从西方购进的显微镜。

成批制造显微镜中国长期缺乏制造显微镜的动力和实际需求，这种情况直到抗日战争时期才彻底改变。

认识到批量制造显微镜的重要性，与中国的科学、教育发展有关，与一批“海归”科学家有关，尤其是物理学家钱临照（1906-2000）和严济慈（1901-1996），他们对中国自行研制和应用显微仪器做出了重要贡献。

钱临照1906年8月出生于江苏无锡鸿声乡，与力学家钱伟长和国学大师钱穆皆系同乡。

钱临照幼时与弟弟钱令希均在其父所办的学校就读，受父亲的影响，钱氏兄弟勤奋好学。

1925年，钱临照入上海大同大学物理系，从胡刚复、严济慈等人的授课中获益良多。

1929年毕业，钱临照到中学教书，一年后有机会到沈阳，在张学良任校长的东北大学物理系任助教。

1931年“九一八”事变后，东北大学师生被迫入关。

钱临照彷徨之际，适逢北平研究院物理研究所刚成立，虽然该所助理研究员编制已满，钱临照仍被严济慈所长额外录用并在其指导下从事科研。

当时，钱临照经常要动手磨玻璃装配仪器。

久之。

他对应用光学、制作光学仪器产生了浓厚兴趣。

1934年夏，钱临照考取第二届中英庚款，公费留学英国，就读伦敦大学学院。

留学期间，他在暑期到一家名叫Adam Hilgan的光学仪器厂实习，老板特怀曼（G.Twvman）是光学专家，也是英国皇家学会会员。

此前因北平研究院从这家工厂购置过多种光学仪器，因而钱临照被特许进入车间实习。

在那里，有好几位师傅教了他不少手艺，其中一项是通过特怀曼干涉仪的观察，将那些退火不充分、不均匀的玻璃加以巧妙地修补，使之合格。

按钱临照的说法，他学会了“这项变废为宝的绝妙技术”。

1937年“七七事变”后。

严济慈发电报让钱临照赶快回国，不久又指派他去北平将物理所的仪器设法运出，并转往大后方昆明。

钱临照克服重重困难，将仪器运送出北平，再到天津装船，辗转送达昆明。

迁至昆明的物理所决定利用先前已成熟的磨玻璃技术制造光学器具。

最初主要制造五角测距仪，用于战地观测敌方目标距离，当时所用的玻璃镜头基本是手工磨制的。

1939年冬，物理所的小22Y-由城里迁往昆明城北远郊的黑龙潭，研究人员自建房屋，购置制玻璃的机器。

厂里除新增的西南联大毕业生外，还招收了几个青年学徒，给他们培训上课，后来这些人都成为磨玻璃的行家能手；新中国成立后，他们中有多人去了中国科学院长春光学及精密机械研究所（简称长春光机所），成为那里的业务骨干。

随着规模的扩大。

工厂开始转向生产供教学和战地医院用的显微镜。

当时受教育部委托，要制造几百架专科以上学校用显微镜，目镜镜头有3倍、10倍和14倍三种，物镜镜头有10倍、20倍、50倍及100倍四种，各镜头交互配合可得60-1400倍之间的各种放大倍数的显微镜。

显微镜的金属架则由当时设在黑龙潭附近的中央机器厂制造。

经评定，物理所工厂生产的显微镜质量略逊于德国名牌，但远胜于日本货。

在制造高倍数显微镜（1000倍）的过程中，一度遇到困难，颇费周折。

首先是光学设计，钱临照请曾在英国帝国学院做过应用光学研究的梁伯先帮助完成了设计。

而生产中遇到了十分棘手的问题——高倍显微镜的物镜曲率半径只有几毫米，测量精度要求非常高。

最后还是钱临照想出办法，采用物理学上的自准直原理，利用一架普通游动读数显微镜，解决了精确测量物镜曲率半径的难题。

新中国成立后，以此原理设计的测量毫米级镜面曲率半径的装置被多家光学工厂广泛采用。

抗日战争前，中国还不能成批制造科研和教学用显微镜。

正是由于北平研究院物理所严济慈所长的规划和支持，特别是钱临照等人的不懈努力，改变了中国在显微镜制造技术上的落后局面，并为后来追赶国际显微镜制造先进水平奠定了必要的技术和人才基础。

研制电子显微镜20世纪初，西方国家的显微镜制造完全克服了色差、球差等缺陷，成像质量大大提高，但分辨率已达到0.2微米的理论极限，再要发展只能另辟新径。

随着量子力学的兴起，科学家开始认识到电子具有波粒二象性，电子波的波长远小于光波的性质成为提高显微镜分辨率的希望。

1931年，德国科学家、工程师鲁斯卡（E.Ruska）与克诺尔（M.KnoH）一起制成了世界上首台实用的电子显微镜，这是显微镜发展史上的里程碑。

电子显微镜的问世带动了电镜制造、电镜理论及应用等多个研究领域兴起和发展，当时中国还没有能力制造电子显微镜，但钱临照等人一直对此密切关注。

新中国成立后，他们很快利用起进口的电镜从事应用研究。

当时一些在海外从事电镜领域研究的学者，归国后也成为我国研制电子显微镜的中坚力量。

1956年，中国制定十二年科学技术发展远景规划。

王大珩、钱临照等人组成仪器规划小组，小组提出研制电子显微镜，苏联顾问却认为难度太大，建议不要列人规划。

1958年中国科学院规划了许多赶超世界先进水平的项目，当时长春光机所有意研制电子显微镜，考虑到基础薄弱，计划先派人去民主德国学习。

正巧，1957年在联邦德国蒂宾根大学获博士学位的青年科学家黄兰友回国，被分配到中国科学院电子学研究所，他一直从事电子显微镜的研究工作。

黄兰友受大跃进形势的鼓舞，大胆提出制造电子显微镜，立即受到上级领导的支持。

1958年4月，他到长春光机所协商。

光机所同意立即上马。

黄兰友原本打算用两到三年时间进行研制，当听说几个月内就要造出来并列为国庆献礼项目时，他大吃一惊。

然而，在看了光机所的设备并与技术人员讨论后，黄兰友终于被说服。

为稳妥起见，他提出最好用一台比较先进的电镜做参考，结果第二天就被告知，科学院领导批准把一台新引进的电子显微镜借他们用。

很快，以黄兰友为首建起一个研究团队，他们先对新引进的电子显微镜的电子光学系统进行计算。

推算出几个透镜的线圈匝数和磁路参数，并对加工精度和电源的稳定度、纹波等做了计算，然后将计算结果交给其他专业室去采购器材和加工零件。

黄兰友团队同时也开始制作光阑、真空检漏、荧光屏等。

1950年代即二战后，黄兰友在蒂宾根大学条件并不好的实验室里学会了用针尖扎光阑，用土办法检漏，他的这些办法在上述器件的研制中发挥了重要作用。

夜以继日的艰苦奋斗，各方面高度协调，不到三个月时间研制（确切说是仿制）成功电子显微镜。

1958年11月，长春光机所决定趁势而进，自行设计研制大型电镜，总体参考西门子公司的Elmiskop I型电子显微镜样本，采用电子枪、双聚光镜、物镜、中间镜及投影镜构成的电子光学系统。

攻坚项目由黄兰友负责技术指导，姚骏恩任课题负责人。

设计时力求实现最高的理论分辨率，主要设计参数为加速电压100千伏，理论分辨本领0.2纳米。

经过10个月的奋战，终于在1959年9月制成样机，分辨本领优于2.5纳米，放大倍数为10万倍。

国庆十周年前夕，电镜由专人运至北京展览馆，作为重大科技成果之一展出。

国庆十周年庆典游行时，排在科学院方队前的就是这台电子显微镜的巨大模型。

此项成果后被国家科学技术委员会选为“中华人民共和国四十年重大科学技术成就”。

1960年，长春光机所把中型电镜移交给南京教学仪器厂生产，把大型电镜交给上海精密医疗机械厂生产，由此促进了其他科研机构进一步研制电镜。

研制扫描隧道显微镜1980年代，扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）问世，其分辨率已在纳米尺度以下，这是显微镜发展史上的另一个里程碑。

其基本原理是，一个原子线度的针尖在距离试样表面十分之几纳米的高度对试样表面扫描，当两者之间施加一定的电压时，由于量子隧道效应会产生扫描隧道电流信号，进而获得反映试样表面原子形态和原子排列或其结构的图像。

改革开放为中国科学的腾飞插上翅膀，中国电镜研究瞄准了世界先进水平。

中国科学院于1986年12月成立STM研制小组。

1987年3月，课题组负责人姚骏恩访美调研，4月确定设计方案，7月姚骏恩再次去美参加第二届STM国际会议，并邀在美学习的白春礼于11月初回国，参加STM的调试。

STM仪器采用厚、薄弹簧片微位移机构，其最小位移量为数十纳米，粗调量达十余纳米，这样的结构解决了试样与针尖间的粗细和微调问题；压电陶瓷管用作三维扫描和控制器件；曲率半径为0.1微米左右的针尖采用腐蚀法制备；悬挂式钢板和橡胶垫组成的多级防震台屏蔽了外界电磁场及气流的干扰，并解决了反馈电子线路等技术难题。