Как был изобретен микроскоп
С древних времен человек хотел увидеть вещи, куда более мелкие, чем может воспринять невооруженный глаз. Кто первый начал использовать линзы, сейчас сказать невозможно, но достоверно известно, например, что наши предки более 2 тысяч лет назад знали о том, что стекло способно преломлять свет.
Во втором веке до нашей эры Клавдий Птолемей описывал, как “изгибается” палка, которую окунули в воду, и даже очень точно подсчитал постоянную рефракции. Еще ранее в Китае делали устройства из линз и наполненной водой трубки, чтобы “видеть невидимое”.
В 1267 году Роджер Бэкон описал принципы работы линз и общую идею телескопа и микроскопа, но только в конце XVI века Захарий Янсен и его отец Ганс, производители очков из Голландии, начали экспериментировать с линзами. Они поместили несколько линз в трубку и обнаружили, что предметы, обозреваемые через нее, выглядят значительно больше, чем под простым увеличительным стеклом.
Но этот их “микроскоп” был скорее диковинкой, нежели научным прибором. Сохранилось описание инструмента, который отец и сын сделали для королевской семьи. Он состоял из трех скользящих трубок общей длиной в 45 с небольшим сантиметров и диаметром в 5 сантиметров. В закрытом виде он увеличивал в 3 раза, в полностью раскрытом - в 9 раз, правда, изображение получалось немного размытым.
В 1609 году Галилео Галилей создал составной микроскоп с выпуклыми и вогнутыми линзами и в 1612 представил этот “оккиолино” (“маленький глаз”) польскому королю Сигизмунду III. Через несколько лет, в 1619-м, нидерландский изобретатель Корнелиус Дреббель продемонстрировал в Лондоне свою версию микроскопа, с двумя выпуклыми линзами. Но само слово “микроскоп” появилось только в 1625 году, когда, по аналогии с “телескопом”, его придумал немецкий ботаник из Бамберга, Иоханн (Джованни) Фабер.
ОТ ЛЕВЕНГУКА ДО АББЕ
В 1665 году английский естествоиспытатель Роберт Гук усовершенствовал увеличительный инструмент и открыл элементарные единицы строения, клетки, изучая кору пробкового дуба. Через 10 лет после этого голландский ученый Антони ван Левенгук сумел получить еще более совершенные линзы. Его микроскоп увеличивал предметы в 270 раз, при том, что остальные подобные приборы едва достигали 50-кратного увеличения.
Благодаря своим качественно отшлифованным и отполированным линзам, Ленвенгук сделал множество открытий - он первым увидел и описал бактерии, дрожжевые клетки, наблюдал движение кровяных телец в капиллярах. Всего ученый изготовил как минимум 25 разных микроскопов, из которых до нашего времени дошли лишь девять. Есть предположения, что некоторые из утерянных приборов имели даже 500-кратное увеличение.
Несмотря на все достижения в этой области, в последующие 200 лет микроскопы практически не изменились. И только в 1850-х немецкий инженер Карл Цейс начал совершенствовать линзы для микроскопов, которые производила его компания. В 1880-х он нанял Отто Шотта, специалиста по оптическим стеклам. Его исследования позволили значительно улучшить качество увеличительных приборов.
Еще один сотрудник Карла Цейса, физик-оптик Эрнст Аббе, усовершенствовал сам процесс производства оптических инструментов. Прежде все работы с ними выполнялись методом проб и ошибок; Аббе же создал для них теоретический фундамент, научно обоснованные методы изготовления.
С развитием технологии и появился микроскоп, который мы знаем сейчас. Однако теперь оптические микроскопы, способные фокусироваться на объектах, размер которых превышает или равен длине волны света, уже не могли удовлетворить ученых.
СОВРЕМЕННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСКОПЫ
В 1931 году немецкий физик Эрнст Руска начал работу над созданием первого электронного микроскопа (просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп). В 1986 году за это изобретение он получит Нобелевскую премию.
В 1936-м немецкий же ученый Эрвин Вильгель Мюллер изобрел электронный проектор (автоэлектронный микроскоп). Прибор позволял увеличить изображение твердого тела в миллионы раз. Через 15 лет Мюллер же сделал еще один прорыв в этой области - автоионный микроскоп, который дал физику возможность впервые в истории человечества увидеть атомы.
Параллельно велись и другие работы. В 1953 году голландец Фриц Цернике, профессор теоретической физики, получил Нобелевскую премию за создание фазово-контрастной микроскопии. В 67-м Эрвин Мюллер усовершенствовал свой автоионный микроскоп, добавив к нему времяпролетный масс-спектрометр, создав первый “атомный зонд”. Это устройство позволяет не только идентифицировать отдельно взятый атом, но и определять массу и кратность заряда иона.
В 1981-м Герд Бинниг и Генрих Рорер из Германии создали сканирующий (растровый) туннельный микроскоп; через пять лет после этого Бинниг и его коллеги изобрели сканирующий атомно-силовой микроскоп. В отличие от предыдущей разработки, АСМ позволяет исследовать и проводящие, и непроводящие поверхности и фактически манипулировать атомами. В том же году Бинниг и Рорер получили Нобелевскую премию за СТМ.
В 1988 году трое ученых из Великобритании снабдили “атомный зонд” Мюллера позиционно-чувствительным детектором, что дало возможность определять положение атомов в трех измерениях.
В 1988-м японский инженер Кинго Итая изобрел электрохимический сканирующий туннельный микроскоп, а три года спустя был предложен кельвин-зондовый силовой микроскоп - бесконтактная версия атомно-силового микроскопа.