十六世纪的显微科学
单式显微镜的出现:
在3000多年以前，欧洲腓尼基人在地中海沿岸的贝鲁斯河边第一次制成了人造玻璃.大约在4世纪,罗马人开始把玻璃应用在门窗上. 到1291年, 意大利的玻璃制造技术已经非常发达.而玻璃是制造显微镜的基本材料.
早在公元前,我国人民就发展出了透镜制造技术.当时的材料是水晶. 13世纪,著名的马可.波罗将中国的眼镜传入欧洲.欧洲人学会了磨制眼镜的技术. 当时,玻璃制造业已经很发达, 欧洲人用廉价的玻璃来磨制眼镜,是眼镜成为了一种相对廉价的商品. 眼镜制造业兴盛起来.
那时戴眼镜的人大都是富翁, 他们的年纪多半很大,所以他们需要老花镜,也就是凸透镜.人们很快发现,凸透镜可以产生物体的放大影象. 于是,一些人开始使用凸透镜来观察细小的物体,凸透镜在科学研究中开始发挥它巨大的作用.凸透镜因其具有放大功能而被叫做放大镜,多透镜的复式显微镜发明后又称单式显微镜,意思是只有一个透镜的显微镜.
第一个复式显微镜:
单式显微镜有一个致命的缺点,那就是它的焦距与透镜直径成正比,而焦距又与放大倍数成反比.也就是说,焦距越短,放大倍数越大,而透镜直径又越小.如果放大倍数是100倍,透镜的焦距为0.25毫米,透镜直径大约为0.33毫米! 这个比大头针头还小的透镜在当时根本制造不出来.因为这个缘故,当时的放大镜的放大倍数最多不过25倍.众所周知,体积较大的一些纤毛虫的长度也不过0.1毫米,放大25倍后也才2.5毫米大.而它内部的细微结构就根本看不清了.因此,为了观察更多的细微物体,人们迫切需要一种更好的放大工具.
1595年,荷兰的著名磨镜师詹森(Janssen)发明了第一个简陋的复式显微镜(如图,其真品已经遗失).这个显微镜是由三个镜筒连接而成.其中中间的镜筒较粗,是手握的地方.另外两个镜筒分别插入它的两端,可以自由伸缩,从而达到聚焦的目的.镜头两个,都是凸透镜,分别固定在镜筒的两端.物镜是一个只有一个凸面的单凸透镜.目镜是一个有两个凸面的双凸透镜. 当这个显微镜的两个活动镜筒完全收拢时,它的放大倍数是3倍;当两个活动镜筒完全伸出时,它的放大倍数是10倍(其实这也是最早的变焦镜头).
*关于复式显微镜的发明过程,一说是Janssen在他父亲Hans的帮助下完成的;另一种说法较为有趣:詹森有两个淘气的儿子.一天,他们溜进了爸爸的作坊里摸摸动动.哥哥顺手拿起了两个镜片放到铜管的两端,发现通过这个铜管看书时书上的字大得显吓人.詹森知道后很高兴.让他们帮助他制成了世界上的第一架复式显微镜.
复式显微镜在性能上明显优于单式显微镜.一是它的放大率可以做得很高,可以把几个放大倍数较小的凸透镜组合起来获得很高的放大率.二是制造工艺较简单,不必磨制一个个极小的透镜...复式显微镜的发明,是科学史上的里程碑,人类从此开始认识微观世界.不过,由于技术条件不成熟,16世纪的显微镜放大倍数都不高,因此在16世纪人类在探索微观世界方面并没有什么激动人心的发现
十七世纪单显微镜的发展
十七世纪的单显微镜与其说是科学仪器,不如说是艺术品
似乎那时的显微镜制造者所追求的并不是高的性能,而是视觉上的享受.比如下面的这个显微镜.它制造于十七世纪晚期.很明显,它的作用已不再是单纯的放大物体以方便研究,更重要的是它那光亮美丽的黄铜色,精美的装饰还给人以一种高贵典雅的美感.结构:这个单式显微镜的镜头镶在一个圆盘形金属眼罩的中部.两个金属手柄一长一短,长的那个手柄是手握的地方.在其末端还设置了几个突起,方便使用者握住.在这两个手柄的中间,夹着一个有六个圆孔可以转动的圆盘,那是它的载物台.使用:在使用前,把样品切成薄片放到载物台的圆孔上.然后拿起显微镜将圆孔对准光源,同时把金属眼罩放在眼窝上以挡住周围的光.用大拇指按压较短的那个手柄(那相当于一个杠杆),以此调节镜头与标本的距离使成像最为清晰.如果切片较多,可以依次放到每个圆孔上.在观察时转动载物台即可观察到每个切片.从这个显微镜镜头的大小来看,它的放大率应该比较大.
在十七世纪中叶,出现了一种滑杆显微镜.
它们的基本结构大致相同:灯塔形的镜身,顶端是一个凸透镜.在镜身中部穿过一根长长的可以水平滑动的横杆.在横杆前端固定着一根顶端削尖,与横杆垂直的长"针"----奇特的载物台.使用时,先将针尖刺入标本,使标本固定在针尖上.然后前后移动滑杆,调节标本与透镜的距离而使成像最清晰后,即可进行观察.从这个显微镜的透镜大小可以看出,该显微镜的放大率不大.缺点:标本放在针形的载物台上实在不稳定,因此观察时的实际操作很麻烦.因此,后来的显微镜就没有采用这种针形载物台.
单式显微镜的顶峰----列文虎克的显微镜
真正观察活细胞的是胡克同时代的荷兰科学家列文·虎克(Avon Leeuwenhoek,1632-1723),他在1677年用自制的高倍放大镜观察池塘水中的原生动物,蛙肠内的原生动物,人类和哺乳类动物的精子;后又在鲑鱼的血液中看到红细胞的核.1683年,他又在牙垢中看到了细菌.他把观察的现象报告给英国皇家学会,得到英国皇家学会的肯定.列文·虎克出身于布商,他最初磨制透镜的目的是为了检验布的质量,但他在掌握了高水平的磨制透镜技术后,进而利用透镜组装成显微镜,并利用自制的显微镜发现了前人未曾见到过的一些活细胞,这些成就是十分难能可贵的.他一生亲自磨制了550个透镜,装配了247架显微镜,为人类创造了一批宝贵的财富,至今保留下来的有9架,现存于荷兰尤特莱克特大学博物馆(University Museum of Utrecht)中的一架的放大倍数为270倍.分辨力为1.4μm.在当时,这个水平是很高的,直到19世纪初所制的显微镜还未超过这一水平.因此,我们不能忽视他对细胞生物学的发展所做贡献的重要性.列文虎克一生制造了数百个显微镜,它们都非常小,设计和功能也相似.他的显微镜的尺寸几乎是一个常数:长2英寸,宽1英寸.镜身大多是用黄铜制造(左图:经历了三百多年,镜身已锈蚀).
结构:一个典型列文虎克显微镜是由两个螺钉,(其中较长的一个是手柄.其长度可以调节;通过调节较短的那个螺钉可以改变标本与透镜的距离.)几个铆钉,一个镜头,一个宽大的镜身,一个针形载物台(连接在手柄上,通过调节手柄长度可以调节标本的高度).镜身的结构较为精巧:首先在两块同样形状的黄铜薄板上对称地凿两个孔,然后把镜头放在其中一个孔上,再把另一块黄铜板放在上面,对齐这两块黄铜板,使这两个孔刚好把中间的透镜镶住.最后用铆钉固定住铜板即可.使用:同样先将标本固定在针尖上.然后拿起显微镜对着光源,同时调节那两个螺钉使标本的位置,影象最佳后即可进行观察.
十七世纪复式显微镜的初步发展
在十六世纪晚期，第一个复式显微镜由荷兰人詹森(Janssen)发明.此后复式显微镜开始被人们使用.但是,一直到十七世纪末,复式显微镜都使用得没有单式显微镜广泛.因为当时的复式显微镜有一个极大的缺点:由于当时的透镜制造技术不高,因此制造出的复式显微镜的像差和色差都很大,这使人们大都不喜欢使用复式显微镜.尽管如此,还是有些人制造,使用了一些复式显微镜.比如意大利人伽利略(Galileo)和英国人胡克(Hooke).
功能强大的电子显微镜
1933年,德国人鲁斯卡(Ruska)设计制造了第一台电子显微镜.其性能远远超过了光学显微镜.后来经过人们的努力,电子显微镜的分辨率由最初的500纳米(百万分之五米)提高到现在的1埃(十亿分之一米);放大率已达到几十万倍以上.从50年代开始,研究者们应用电子显微镜相继取得了很多重要成就.可以说,电子显微镜的出现大大推动了人类的科学研究.
:虽然显微摄影术在十九世纪中叶就已经出现,但由于当时照相技术本身的不成熟,十九世纪的显微摄影术并没有被广泛地使用.直到二十世纪初,由于在胶片和相机的制造技术上取得了突破,显微摄影才开始被广泛地使用起来,逐步成为了记录显微图象的主要方式之一.新兴的数码成像技术更是把显微摄影技术推向了一个新高峰,使显微科学与数字技术的发展牢固地结合起来,为人类的科学发展做出贡献.
总观显微科学四百多年的历史,我们可以看到,任何一个学科的发展都离不开其它学科的支持.各种学科的互相穿插,交融在今天的科学研究中已显得越来越重要.这是社会发展的必然结果,是不可阻挡的潮流.
更多的新型显微镜层出不穷，在此就不一一列举了，随着科学技术的发展也将产生更多更好的显微成像系统
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