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第一章 电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史
一， 电子显微镜－－生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点 二， 电镜发展简史 三，我国电镜的发展
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德国著名光学理论家Abbe（埃贝,1887）
“
凭现在我们所掌握的知识，自然界还存在着许 多我们想象不到的东西，然而，今天无法突破的界 限，到明天有可能用崭新的方法超越它，将来在追 究物质世界的本质时必将会出现远比今天的显微镜 更强有力的观察器械”
如果十六世纪光学显微镜的发明， 开辟了细胞和细菌时代，那么二十世纪 电子显微镜的发明，则是开辟了亚细胞、 病毒和分子结构的新时代。
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电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史
一， 电子显微镜——生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点及重要地位 二， 世界电镜发展简史 三，我国电镜的发展
各 种 波 长 范 围
红外线 红光 橙光 可 黄光 见 绿光 光 兰光 紫光 紫外线 X射线 r射线
1×10-7~5×10-9
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λ=h / mv ………………（1）
λ为电子波长 h为普郎克常数 v为电子运动速度 m为电子质量（9.11×10-28克）
V=
2em U
……………… (2)
e为电子的电荷量（4.80×10-10静电单位1.623×1019库仑） U为加速电压
λ=
1.226 U
［nm］
表4-1 不同加速电压下的电子波长
加速电压/kV 20 30 50 100 200 500 1000 电子波长/10-6nm 8.59 6.98 5.36 3.70 2.51 1.42 0.687
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当加速电压为100kV时，电子束的波长约为 可见光波长的十万分之一。因此，若用电子 束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。 但是，电磁透镜的孔径半角的典型值仅为102-10-3rad。如果加速电压为100kV，孔径半角
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1923年 Broglis
电子束既有粒子性，又有波动性
1926年 Bush
电子透镜理论
1931年改进阴极射线示波器 1932年成功制造世界 第一台电镜 பைடு நூலகம்933年制备第一台 二级放大电镜
Knoll和Ruska
吕赫和约汉森： 静电透镜(1932年)
1934年分辨率达到500埃 （Borries)
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电子显微镜的特点
1，极高的分辨率 2，极大的放大倍数
崭新的科学之眼 或 微观世界的眼睛
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由于电镜的运用，形态学家已成为生 化形态学家，而生物化学家则成为了形 态生物化学家，因为今日的生物化学广 泛涉及到细胞和细胞器的结构，生物化 学与细胞生物学之间的界限变得难以区 分。
电镜是细胞生物学工作者必须掌握的一项 重要技术，也是生物学领域研究者应当掌握 和利用的重要研究工具。
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分辨率(Resolving Power)
指一台光学仪器能够清楚地分开两点间距离大小 的能力。两点间的距离越小，表示该仪器的分辨率越 高
光学显微镜分辩率的计算公式：
δ=0.612λ/n sinα
其中：δ 为显微镜分辨物体两点间的距离，即分辨率 λ 为入射光的波长 n 为物体与透镜第一界面介质的折射率 α 为物体与物镜所成夹角的一半
100千伏 加速电压
超高压 电镜 分辨率 接近 理论极限
超高压 电镜
100埃 分辨率
10埃 分辨率
新型电镜 的研制
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第一章 电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史 一， 电子显微镜－－生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点 二， 电镜发展简史 三，我国电镜的发展
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李巧玲
主讲
中北大学理学院化学系
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电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史
一， 电子显微镜－－生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点及重要地位 二， 电镜发展简史
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电子显微镜技术
应用范围之广 提供信息之多 所起作用之大
电子显微镜
为10-2rad，那么分辨本领为：
d0 = 0.61×3.7×10-3/10-2 = 0.225 nm
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电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。 衍射效应对分辨本领的影响： Rayleigh公式： d0 = 0.61λ/nsinα d0：成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离， 表示透镜分辨本领的大小。 λ：波长; n：介质的相对折射系数; α:透镜的孔径半角 只考虑衍射效应时，在照明光源和介质一定的条件 下，孔径半角越大，透镜的分辨本领越高。 像差对分辨本领的影响： 由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像 平面上均会扩展成散焦斑，个散焦斑的半径也就影响 了透镜的分辨本领。
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各种电磁波 电 波
波长（mm） 1×166~1×101 0.5~10-3 7.60×10-4~6.47×10-4 6.47×10-4~5.88×10-4 5.88×10-4~5.50×10-4 5.50×10-4~4.92×10-4 4.92×10-4~4.55×10-4 4.55×10-4~3.90×10-4 3.90×10-4~1.3×10-5
d0 ≈λ/2
波长是透镜分辨率大小的决定因素。 透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。 若用波长最短的可见光(λ=400nm)作照明源， 则
d0=200nm
200nm是光学显微镜分辨本领的极限;
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随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显 微镜的一种新的照明源 — 电子束被发现了。 1924年法国物理学家德.布罗意(De Broglie)提 出一个假设：运动的微观粒子(如电子、中子、离 子等)与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微 观粒子的运动服从波-粒两象性的规律。两年后通 过电子衍射证实了这个假设，这种运动的微观粒子 的波长为普朗克常数 h 对于粒子动量的比值，即 λ=h/mv 对于电子来说，这里， m 是电子质量［kg］， v 是电子运动的速度［ms-1］。
目前已有 40多种不同规 格型号的电镜 研制成功
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电子显微镜发展的历史阶段
第一阶段
电镜诞生－50年代
第二阶段
50－60年代
第三阶段
60－70年代
第四阶段
80年代－
一个聚光镜 两个成象 透镜
两个聚光镜 三个成象 透镜
仪器高度 自动化 特殊附件
操作简化 提高数据 处理能力
50千伏 加速电压
创立新的原理 制造新的仪器 发展新的应用
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电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史
一， 电子显微镜－－生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点及重要地位 二， 电镜发展简史 三，我国电镜的发展
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科学与技术的辩证关系 －－相辅相成、相互促进
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电子显微镜及其发展
第二节 电镜常用术语及基本概念
一，显微、亚显微、超微及超分子结构 二，分辨率 三，放大倍数（或放大率） 四，反差（或反衬度，或对比度） 五，显微术的长度单位
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显微结构（Microscopic Structure）
一般指在光学显微镜下所能观察到的结构
亚显微结构（Submicroscopic Structure）
通常指介于显微（光学显微镜）和超微结构之间的结构
超微结构（Ultrastructure）
严格地讲，是指分子水平的结构。但它与亚显微结构并 无严格的界限，往往把两者笼统地称之为超微结构
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电 子 波 长 值
不 同 加 速 电 压 对 应 的
5.0 10.0 25.0 50.0 75.0 100.0 300.0 500.0 1000.0 3000.0
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电子显微镜分辨率
1.4埃 1.357埃
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1934年 Marton
利用灯丝作电源，气锁装置 发表世界第一张生物学电镜照片
1935年 Driest和miller
分辨率分别提高到400埃和250埃
西门子公司 Reska, Borries Helmut
1937年：电镜的改进和设计 1939年： 第一台实用型商品电镜进入市场 1949－54年： 中、高分辨率的电镜问世，普及全世界
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中国电镜的发展
解放初：引进国外电镜 1958年：试制第一台电镜
（20万倍、40万倍、80万倍电镜； 相关电镜的配套设备）
1980年：中国“ 电子显微学会”成立 1982年：创办“ 电子显微学报”
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第一章 电子显微镜及其发展
第二节 电镜常用术语及基本概念
一，显微、亚显微、超微及超分子结构 二，分辨率 三，放大倍数（或放大率） 四，反差（或反衬度，或对比度） 五，显微术的长度单位
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初速度为零的自由电子从零电位达到 电位为U (单位为v)的电场时电子获得的 能量是eU： 1/2mv2 = eU 当电子速度v 远远小于光速C 时，电 子质量m 近似等于电子静止质量m0 ，由 上述两式整理得：
λ=
h 2em0U
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将常数代入上式，并注意到电子电荷 e 的单位 为库仑， h的单位为Js，我们将得到：
细胞学