恩斯特·鲁斯卡
恩斯特·奥古斯特·弗里德里希·鲁斯卡(1906年12月25日-1988年5月27日),德国物理学家,电子显微镜的发明者,1986年获诺贝尔物理学奖。
人物名片
中文名:恩斯特·奥古斯特.弗里德里希.鲁斯卡
国籍:德国
出生地:海德堡
出生日期:1906年12月25日
逝世日期:1988年5月27日
职业:物理学家
毕业院校:柏林工业大学
主要成就:1986年诺贝尔物理学奖
人物简介
恩斯特·奥古斯特·弗里德里希·鲁斯卡(1906年12月25日-1988年5月27日),德国物理学家,电子显微镜的发明者,1986年获诺贝尔物理学奖。
生平简介
恩斯特·鲁斯卡生于海德堡,是德国东方学家、科学历史学家和教育家尤利乌斯·鲁斯卡(Julius Ruska)的儿子,恩斯特·鲁斯卡的弟弟赫尔穆特·鲁斯卡(Helmut Ruska)是德国医生,也是电子显微镜的先驱之一。鲁斯卡在海德堡读完中学后,1925年起在慕尼黑工业大学学习电子学,1927年转到柏林工业大学,1933年完成论文《关于电子显微镜的磁性镜头》(Über ein magnetisches Objektiv für das Elektronenmikroskop)并获得博士头衔。
由于电子显微镜的商业化开发不是大学研究所的任务,研究所的仪器也无法达到这个要求,鲁斯卡开始在电子光学的工业界寻求新的发展。他于1933年至1937年在柏林电视机股份公司(Berliner Fernseh AG)的研发部门工作,负责电视机接收发送管和带二级放大器的光电池的开发。在此期间,他同博多·冯·博里斯(Bodo von Borries)开始试探性地开发高分辨率的电子显微镜。1936年底1937年初,他们在西门子公司的电子显微镜工业研发工作实现了这一目标,在柏林设立了电子显微镜实验室,并于1939年研发出了第一台能够批量生产的“西门子-超显微镜”。
在研发“西门子-超显微镜”的同时,他和弟弟赫尔穆特·鲁斯卡及其同事开始了它的应用,尤其是在医学和生物学领域。为了使得它能够迅速地使用在各个领域,他们建议西门子公司建立一所电子显微镜研究所,1940年建成后直至1944年底,这个研究所共发表了约200篇不同专业领域的文章。
二战后,鲁斯卡为西门子公司重建了在柏林的电子光学实验室,使得1949年起重新开始生产电子显微镜,有超过1200家的各国研究所使用他们的产品。除此之外,鲁斯卡开始更多地在科学研究所工作,以加大对电子显微镜的物理学研究。1947年8月至1948年12月在德国科学学会医学和生物学研究所工作,1949年1月起接手马克斯·普朗克协会弗里茨·哈伯研究所(Fritz-Haber-Institut)的电子显微镜部门,直至1974年底退休,这个部门在1957年成为独立的电子显微镜研究所,并以鲁斯卡的名字命名,鲁斯卡也在此前的1955年辞去了西门子公司的工作。
1944年鲁斯卡在柏林工业大学获得大学任教资格,1949年成为柏林自由大学的教授,1959年起也在柏林工业大学任教,直至1971年,教授电子光学基础和电子显微镜技术,发表科学文章超过100篇。
1988年,恩斯特·鲁斯卡在柏林逝世,葬于其弟弟赫尔穆特·鲁斯卡在柏林的墓旁。
主要成就
鲁斯卡是电子显微镜技术的开拓者之一,1931年4月7日,他和马克斯·克诺尔(Max Knoll)成功用磁性镜头制成第一台二级电子光学放大镜,实现了电子显微镜的技术原理,基于磁场会因电子带电而偏移的现象,使得通过镜头的电子射线能够像光线一样被聚焦,当时被称为“超显微镜”。因为电子的波长远小于光线的波长,因此电子显微镜的分辨率明显优于光学显微镜。
鲁斯卡与工程师博多·冯·博里斯一起完善了他的电子显微镜发明,1938年至1939年起投入批量生产。
所获荣誉
鲁斯卡获得过众多的奖项,是多个科学学会的荣誉会员。 1970年被授予“保罗·埃尔利希和路德维希·达姆施泰特奖”(Paul-Ehrlich-und-Ludwig-Darmstaedter-Preis)。1986年与扫描隧道显微镜的发明者格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔一同获得了诺贝尔物理学奖。
2005年11月24日起,柏林工业大学物理研究所的一座以鲁斯卡的名字命名。
第一台扫描隧道显微镜
恩斯特·鲁斯卡1906年12月25日生于德国巴登市海德堡。他的父亲是柏林大学历史学教授.1925年一1927年,恩斯特上中学时就喜欢工程,并在慕尼黑两家公司学习电机工程。后随父到了柏林,1928年夏进入柏林恰洛廷堡的柏林技术大学学习,在大学期间参加过高压实验室工作,从事阴极射线示波管的研究。从1929年开始,鲁斯卡在组长克诺尔(M.Knoll)的指导下进行电子透镜实验。这对鲁斯卡的成长很有益处。
1928年~1929年期间,鲁斯卡在参与示波管技术研究工作的基础上,进行了利用磁透镜和静电透镜使电子束聚焦成像的实验研究,证实在电子束照射下直径为0.3mm的光阑可以产生低倍(1.3倍)的像,并验证了透镜成像公式。这就为创制电子显微镜奠定了基础。
1931年,克诺尔和鲁斯卡开始研制电子显微镜,他们用实验证明了为要获得同样的焦距,使用包铁壳的线圈,其安匝数要比不包铁壳的线圈小得多。1931年4月一6月,他们采用二级磁透镜放大的电子显微镜获得了历倍的放大率。通过计算他们认识到,根据德布罗意的物质波理论,电子波长比光波波长短5个数量级,电子显微镜可能实现更高的分辨率。他们预测未来的电子显微镜,当加速电压力75 kV,孔径角为 2 x 10-2弧度时,衍射限制的分辨率将是 0.22mm.
1932年一1933年间,鲁斯卡和合作者波里斯(Borries)进一步研制了全金属镜体的电子显微镜,采用包有铁壳的磁线圈作为磁透镜.为了使磁场更加集中,他们在磁线圈铁壳空气间隙中镶嵌非磁导体铜环,并将铁碰上、下壳体内腔的端部做成漏斗形(磁极靴),使极靴孔径和间隙均减小到 2mm,而且焦距减小到 3mm。1932年3月,波里斯和鲁斯卡将此项磁透镜成果申请了德国专利。
1933年,鲁斯卡在加速电压75 kV下,运用焦距为3 mm的磁透镜获得 12 000倍放大率,还安装了聚光镜可以在高放大率下调节电子束亮度。他拍摄了分辨率优于光学显微镜的铝箔和棉丝的照片,并试验采用薄试样使电子束透射从而形成电子放大像。
1934年鲁斯卡以题为“电子显微镜的磁物镜”学位论文获得柏林技术大学工学博士学位。1934年一1936年,鲁斯卡继续进行改进电子显微镜的实验研究。采用聚光镜以产生高电流密度电子束来实现高倍放大率成像;采用物镜和投影镜二级放大成像系统。可是,当时他们的发明并未立即获得学术界和有关部门承认,鲁斯卡和波里斯努力说服人们,使他们相信可能研制出性能超过光学显微镜的电子显微镜。他们多次到政府和工业研究部门以争取财政支持。经过三年的奔走,1937年春西门子一哈斯克公司终于同意出资建立电子光学和电子显微学实验室。许多青年学者纷纷前来参加研究工作。
恩斯特·鲁斯卡从1937年开始着手研制商品电子显微镜,1938年制成两台电子显微镜,带有聚光镜,配以具有极靴的物镜及投影镜,备有更换样品、底片的装置,获得 30 000倍放大率的图像。恩斯特·鲁斯卡的弟弟哈尔墨特·鲁斯卡(Helmut Ruska)和其他医学家立刻用来研究噬菌体等,获得很大的成功。1939年西门子公司制造的第一台商品电子显微镜终于问世。同年,电子显微镜首次在莱比锡国际博览会上展出,引起广泛注意。1940年,在恩斯特·鲁斯卡提议下,西门子一哈斯克公司将上述实验室发展为第一个电子显微镜开放实验室,由哈尔墨特·鲁斯卡任主任。实验室装备了四台电子显微镜,接纳各国学者前来做研究工作,推动了电子显微镜在金属、生物、医学等各个领域的应用与发展。在鲁斯卡工作的影响下,欧洲各国科学家先后也开始了电子显微镜的研究和制造工作。
恩斯特·鲁斯卡及其合作者几十年来孜孜不倦地为改进电子显微镜辛勤工作,为现代科学的发展作出了重要贡献。电子显微镜为人们观察物质微观世界开辟了新的途径。在50年代中期制成的中、高分辨率电子显微镜,能够观察晶体缺陷,促进了固体物理、金属物理和材料科学的发展。在刀年代出现的超高分辨率电子显微镜使人们能够直接观察原子。这对于固体物理、固体化学、固体电子学、材料科学、地质矿物学和分子生物学的发展起了巨大的推动作用。
恩斯特·鲁斯卡在1986年获诺贝尔物理学奖后一年多于1988年5月27日在德国柏林去世,他的一生完全贡献给了电子显微镜事业。继他之后,不仅有高压电镜和扫描电镜问世,而且还出现了另一种原理完全不同的显微镜,这就是1982年发明的扫描隧道显微镜(简称STM)。扫描隧道显微镜是通向微观世界的又一个有力武器。
扫描隧道显微镜之所以得到发明并且迅速发展,是由于微电子学以极快的速度发展的缘故。作为电子计算机核心部份的硅集成块的集成度要求愈来愈高,其尺寸愈来愈小,所带来的问题是集成块表面积与体积之比的急剧增大,此时在集成块的工作状态中,以及它与其它逻辑元件的相互作用中,表面状态变得愈来愈重要。除此以外,在物理、化学及生物过程中,真实表面状态的研究也有其重要意义。透射电镜虽有很高的分辨率,但它所获得的图像实际上是很薄样品的内部讯息,用于表面微观观察及分析几乎是不可能的。扫描电镜的发明,虽然给表面观察及分析提供了有力的工具,但由于高能电子束对样品有一定穿透深度,所得的信息也不能反映“真实”表面状态。针对这一问题,IBM在瑞士苏黎士研究所的宾尼希与罗雷尔于1982年发明了扫描隧道显微镜。在不到5年的时间内,分辨率就达到了原子水平。
隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道效应及隧道电流。大家知道,金属体内存在大量“自由”电子,这些“自由”电子在金属体内的能量分布集中于费米能级附近,而在金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒。因此,从经典物理学来看,在金属内的“自由”电子,只有能量高于边界势垒的那些电子才有可能从金属内部逸出到外部。但根据量子力学原理,金属中的自由电子还具有波动性,这种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时,会有一部分透射。也就是说,会有部分能量低于表面势垒的电子能够穿透金属表面势垒,形成金属表面上的“电子云”。这种效应称为隧道效应。所以,当两种金属靠得很近时(几纳米以下),两种金属的电子云将互相渗透。当加上适当的电压时,即使两种金属并未真正接触,也会有电流由一种金属流向另一种金属,这种电流称为隧道电流。
1981年宾尼希等人用铂作了一个电极,用腐蚀得很尖的钨针作另一电极,在两电极间小于2mm的距离以内,改变钨针对铂片的距离,测得隧道电流随这距离的变化。测量结果表明,隧道电流和隧道电阻随隧道间隙的变化非常敏感,隧道间隙即使只发生0.1nm的变化,也能引起隧道电流的显著变化。
对于非常光滑的样品平面,如新解理的晶体表面,从微观来看,是由原子按一定规律排列起来的。如果用一根很尖的探针(如钨针)在距离该表面上十分之几纳米的高度上平行于表面在x,y方向扫描,由于每个原子有一定大小,因而在扫描过程中隧道间隙就会随x,y的不同而不同,即使是百分之几纳米的高度变化也能在隧道电流上反映出来。利用一台与扫描探针同步的记录仪,将隧道电流的变化记录下来,即可得到分辨本领为百分之几纳米的STM图像。
宾尼希1947年7月四日出生于德国的法兰克福。其时正值第二次世界大战结束不久,他和小伙伴们常常在废墟中做游戏,当时他并不懂得为什么建筑物会成那个样子。10岁时,尽管他还不太了解物理但已决心要当一名物理学家。等到在学校里真正学到物理时,他大概有点怀疑这一选择了。少年时代的宾尼希是一个音乐爱好者,母亲很早就教他古典音乐。15岁时拉小提琴,参加过学校的管弦乐队。
十几年后,当宾尼希开始做毕业论文时,才真正感到物理的魅力,认识到做物理工作比学习物理更有乐趣。他深切地体会到,“做”是“学”的正确途径。
1978年宾尼希在法兰克福大学获博士学位。他在做博士论文时参加马廷森(Martienssen)教授的研究组,指导教师是洪尼希(Hoenig)博士。洪尼希博士指导他做实验,非常耐心。
在他的妻子外格勒(L.Wagler)的劝说下,宾尼希在完成博士论文后,接受了IBM公司苏黎世研究实验室的聘任,参加那里的一个物理小组。这是非常重要的决定,因为在那里宾尼希遇到了罗雷尔。
罗雷尔1933年6月6日出生于瑞士的布希(Buchs),1949年全家前往苏黎世。他对物理学的倾倒完全属于偶然,因为他原来喜欢古典语文和自然,只是在向瑞士联邦工业大学注册时才决定主修物理。在学校的四年中受教于泡利、舒勒等著名教授。1955年开始作博士论文,很幸运得到了奥尔森(J.L.Olsen)教授的指导,博士论文题目涉及测量超导体在磁场中长度的变化。而奥尔森以测量杨氏模量的不连续性著称。罗雷尔在实验中要用到非常灵敏的机械传感器,往往要在夜深人静的时候工作。四年的研究生生活使罗雷尔得到了很好的锻炼。
1961年罗雷尔到美国的鲁特格尔斯(Rutge。)大学做了两手博士后,研究的题目是Ⅱ类超导体和金属的导热性。1963年回到瑞士,在鲁希利康IBM研究实验室工作,研究本多(Kondo)系统在脉冲磁场中的磁阻问题。60年代末从事反磁体研究,并在研究组组长缪勒(K.A.Muller)的鼓励下研究临界现象。在这里,他开始与宾尼希合作,七十年代末开始致力于研制扫描隧道显微镜,终于在1982年作出了导致获得1986年诺贝尔物理学奖的重大
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