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除了动植物以外，自然界还有一个庞大的生物世界，就是微生物。它们都很小，小到把几亿个微生物堆积在一起时，也只有一粒米那么大小。显微镜的发明打开了人类通向微生物等微观世界的大门。1590年，杨斯岑兄弟发明了世界上最早的显微镜。17世纪中期人类发明了光学显微镜，18世纪荷兰人列文·虎克借助显微镜发现了组成动植物身体的细胞，逐步认识了细胞核及其作用，这是显微镜发展史上的第一个里程碑。
随着对细胞的不断深入研究，光学显微镜的局限性日益明显。由于它以可见光作为光源，分辨能力受到光波影响，无法进一步了解细胞的微细结构。人们期待分辨本领更高、功能更强的超级显微镜。
1931年，生于德国海德尔堡的工程师恩斯特·鲁斯卡在其组长马克斯·克诺尔博士指导下对显微镜进行了自16世纪荷兰人加装第二块透镜以来最重要的革新：他们研制出了一台电子显微镜。这台显微镜能将物体放大十几倍。1932年，恩斯特·鲁斯卡致力于提高电子显微镜的分辨本领，在德国《物理学进展》杂志上发表了以“几何电子光学的进展”为题的论文，第一次使用电子显微镜的名称，所以1932年被认为是电子显微镜的发明年份。此后电子显微镜成了20世纪后期科学家对微观物质结构和生命形式进行探索的强有力的工具。
有两次“发现”为克诺尔和鲁斯卡的研究奠定了基础。1924年，法国物理学家路易·德布罗意发现电子束呈波状运动，但其波长要比光的波长短得多。德布罗意的发现意味着如果能找到使电子束聚集的方法，就能将其用来放大物像。两年后，德国物理学家汉斯·布施发现了调节焦点所产生的效果：电磁场或静电场中不再有电子了。实际上，电磁场或静电场成了一个透镜，电子变成了光。结合两者，电子显微镜被发明并以惊人的速度发展。
20世纪30年代末，德国西门子公司、英国的大都会·维克尔公司和美国无线电公司等这样的著名高科技公司，完善了电子透镜的基本原理，将电子束聚集在真空腔内形成的电磁场或静电场中，从而达到放大物体的目的。1938年，可将照片放大3万倍的电子显微镜研制成功。
此后，出现了一种改进型的电子显微镜，这种显微镜可将物体放大10万倍。伴随着技术和设备的不断改进和提高，人们终于实现了观察原子的理想。光学显微镜的最高分辨本领约为200纳米，与此相对应的最高有效放大倍数是1500倍。现代高分辨电子显微镜的分辨本领已达0.1纳米、放大倍数在150万倍以上，这相当于把一个直径4米的气球放大到地球那么大。它还可以把原子放大成一个个小馒头那么大、那么清晰可见。
这里，要提一句的是，从19世纪末到20世纪20年代，尽管已有不少杰出的科学家发现了电子束可以聚焦并得到了成像公式，但为什么没有引导他们让电子束代替光束发明电子显微镜呢？主要原因之一是他们远离科学实验。而鲁斯卡敢于排除人们的偏见和责难，勇于实践，终于发明了电子显微镜。