还记得在课堂上，第一次通过显微镜看到洋葱表皮细胞时的欣喜吗？
想不想去看看比细胞更神秘的微观世界？比如……原子？
课堂上用于观察洋葱表皮细胞的显微镜是光学显微镜，它的基本工作原理是通过光束和光学透镜，将原本肉眼不可见的物质，放大到可以直接观测的程度，一般可以放大几十倍，最高可以达到2000倍。也正是因为有了光学显微镜，人类走进了微观世界，对物质有了更深入的研究。
图源：摄图网
但如果想要看清一颗原子，光学显微镜就不够用了，需要一台放大倍数更高的显微镜——电子显微镜（以下简称“电镜”）。电镜通常能够连续调节放大几十倍到数百万倍，其背后的原理就复杂得多，不过简单来说就是用电子束代替光束，与样品相互作用产生各种信号，探测器探测收集这些信号并成像。电镜可以分为扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。
上图为扫描电镜，下图为透射电镜
01、电镜为什么这么大？
相比起光学显微镜，电镜可是个大家伙。体积相对较小的电镜也有一人高，这是因为它的原理更复杂，组成部件更多。
比方说电子束从哪里来？这就需要有一个电子源，接通高压电源以后，产生电子。
产生的电子有些发散，不聚焦，怎么办？这时就需要一系列的聚光镜，将其调节规整，形成电子束，能够照射在一块很小的区域上。
电子束与样品相互作用以后，还需要探测器接收产生的信号，生成图像。
左图为扫描电镜结构，右图为透射电镜结构
02、电镜是怎么“看见”样品的？
在扫描电镜中，电子束在样品表面来回扫描，与样品作用后，会产生二次电子、背散射电子、X射线等多种不同的信号。探测器接收到所需要的信号并分析，就可以得到样品的表现形貌或者是化学元素成分。
纳米金颗粒在扫描电镜下的成像
透射电镜的工作原理是电子束穿透样品后成像，由于样品的密度、结构不同，导致穿过样品的电子束会有不程度的散射、吸收等。相较于扫描电镜最高30千伏的加速电压，透射电镜的加速电压甚至可以达到300千伏。这就使得从电子源产生的电子束有更高的能量，也更容易穿透样品，获得更多的信息，实现更高的分辨率。所以通过透射电镜，可以看到样品中原子的排列方式。
纳米金颗粒在透射电镜下的成像
03、为什么电镜的图像是黑白的？
光学显微镜利用的是光束，包含可见光中的不同波长信息，所以最终呈现的图像是彩色的。而电子显微镜最终的成像，表现的其实是探测到信号的强弱，用明暗程度表示，因此是黑白的。
显微镜成像对比
透射电镜下的钻石表面原子结构 | 图源：britannica.com
扫描电镜下的雪花 | 图源：inspiredpencil.com
扫描电镜下的圆珠笔 | 图源：izismile.com
扫描电镜下的木材 | 图源：researchgate.net
扫描电镜下的石棉纤维 | 图源：www.sohu.com
不过，为了让成像更有艺术感，科研人员可以进行“艺术创作”，为图片增添色彩。
樱花花粉 | 图源：新华社
硅藻 | 图源：新华社
尼龙魔术贴钩环 | 图源：izismile.com
蛱蝶翅膀 | 图源：britannica.com
孔雀羽毛 | 图源：Waldo Nell
电子显微镜凭借其高分辨率和高放大倍率的特点，在多个科研领域发挥着重要作用。以材料科学领域为例，尤其是在纳米材料研究方面，电子显微镜展现出独特的优势。如视频所示，通过电镜对纳米金颗粒进行观测，研究人员不仅能清晰地观察到它的微观结构，还能直接认识其原子排布方式和排列疏密。这些原子级别的结构信息为深入理解材料性能提供了重要的科学依据，从而将纳米材料研究推进到更深入的层次。作者：王梦天
编辑：Tiara
鸣谢：上海科技大学电镜中心副研究员 张青 为本文提供科学指导。
题图图源：Waldo Nell
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