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电子显微镜历史杂谈-Joseph von Fraunhofer 精选

已有 11256 次阅读 2013-6-27 10:17 |个人分类:电子显微镜|系统分类:科研笔记| 历史, 电子显微镜



Joseph von Fraunhofer,中文译音是夫琅和费,学化学的如果不知道这个名字,不算太奇怪,如果学物理的不知道他,应该有点偏了。

不过Joseph von Fraunhofer和电镜无直接相关,我这里讲的有关他的一生,也就一个“显微镜”和电镜有点字面上的关联。讲他的原因,是他的故事有种好莱坞电影那样的曲折,而且光学透镜的色差球差等等像差理论和电子光学颇有共同之处,再有从光学显微镜的分辨率无法突破阿贝的极限理论值,才有了后来的电镜,所以了解光学透镜的发展也很有必要。

光学透镜的最根本的物质基础就是玻璃,这位夫琅和费就是位天才的玻璃工艺师,所以有必要了解一下。

有点像说书的那样,开始就必须说明,夫琅和费是个苦命的孩子,他的一生是一种从最底层慢慢努力加机遇,逐渐展露才华的艰辛奋斗史。

1787年3月6日出生于德国的巴伐利亚州斯图劳宾(或施特劳宾,Straubling, Bavaria),父亲名叫Franz Xaver Fraunhofer,母亲是Maria Anna Fröhlich。父亲是一位玻璃工人,夫琅和费是他的第11个孩子,也是最小的一个。因为各种原因,夫琅和费的7个兄长和姐姐先后去世。更加悲惨的是,10岁那年,母亲去世,享年54岁,过了一年,父亲也去世了,享年56岁。

虽然他的父亲不算贫困潦倒,也有一套位于市中心的5层楼的房子(至今房子还在),不过因为那个时代的观念是:每个家庭成员都要为了家庭的生存而努力,所以夫琅和费的家庭没有全力支持他求学,而且他应该是个懂事的孩子,经常到父亲工作的作坊里帮忙,虽然巴伐利亚州后来着力提高教育系统的建设,可到1802年才开始推行义务教育,那个时候,小夫琅和费已经开始在玻璃作坊里打工了。

如果追溯到更早的时间,夫琅和费的祖父和父亲都是做玻璃工艺的高级匠人,母亲那边也是做玻璃的,时间更可以追溯到17世纪,加上夫琅和费自己的天分,其实如果在自家人的帮助下,可以很快展露头角,不过天将降大任这种说法,似乎没有国界,在父母双亡之后,他不得不该行先去木器厂里做木头切削的工作,不过才刚刚10岁多点的他,力气显然没法适应这么高强度的活,后来就回到玻璃行了。

1799年8月23日,他离开故乡,到慕尼黑的Weichselberger作坊里做学徒。慕尼黑比他的家乡大将近50倍,不过生活反而更加艰难。身在异乡为异客的小夫琅和费还不算太孤单,他有一个姐姐在慕尼黑,经常去照料弟弟。

Weichselberger是一个严苛的老板,除了教他玻璃制作工艺之外,其他时间统统用来工作,而且更过份的是,不让他去周日学校求学,小夫琅和费只好尽力寻找课本并努力学习。

将近两年之后,人生的转折点忽然到来,那天是1801年7月21日。

这天,不知道是因为年久失修还是地质原因,夫琅和费住的房子忽然倒塌了。这是店主Weichselberger租住的房子,Weichselberger的妻子在这场事故中丧生,而夫琅和费虽然也被埋在废墟里,但因为一根横梁挡在他身体上方,安然无恙。大概因为国外倒房子不是很常见,而且又有人压在废墟底下,市里出动大量人力赶紧抢救,4个小时后,小夫琅和费终于被救出来,成了慕尼黑的新闻人物。

改变他人生的原因不仅仅是因为他成了新闻人物,更因为有两个重要人物关注了他的生活,其中之一是Maximilian Joseph王子, 后来成为King Max I (Max王一世), 另外一个是Joseph Utzschneider,是著名政客和企业家,就在事故前几个星期,他离开政坛,专心精密仪器和光学设备的制造。

王子亲临现场看到废墟中救出的小夫琅和费,我想定然问了他的情况,小家伙当然也就表述了自己想要读周日学校的愿望,对于一个孩子来说这是再正常不过的要求,王子被他的请求感动不已,自然全力帮忙,老板没办法阻止,无奈的让他开始读书,这一读就是4年。

 

一个孩子的眼睛应该是清澈见底,或许王子是被孩子的求知欲望感动,也或许看到孩子唤起慈父的感觉,他对夫琅和费像对自己的孩子一样,不仅仅支持他读书,还给了他一笔钱。王子还邀请他到自己的Nymphenburg城堡里做客,并委托Joseph von Utzschneider 管理夫琅和费的财务。Joseph von Utzschneider 也给了他一些专业的书籍,并给他讲授光学和物理方面的知识,耳濡目染,他开始有了做优质透镜可以挣很多钱的理念。

由于对工作的无聊和老板的不满,而且老板还阻止他学习光学理论和参加青年工人学习班,虽然他在等6个月就可以拿到装饰玻璃切削和制作的学徒证(大概是一种资历证明吧),但在1804年的4月30号,他经过和Utzschneider的沟通,用王子给的钱替自己赎了身,放弃6年的合同,离开了这个作坊。他用剩下的钱买了机器设备(切削和研磨)。Utzschneider本来想让他在自己的光学研究所里做望远镜和用于测量的高级设备上的单色镜头,不过他似乎没有同意,只是跟着Benedictine monastery(圣本笃修道院)里一个俗家弟子叫Joseph Niggl的修道士学习打磨镜头的技术,后者据说是在一个Nott的女修道院里学习了特殊的相关技术,技术极其机密。这样他用自己的仪器做了大量的实验,期间就发现了太阳光中的暗线。

本来他是对着蜡烛聚焦来看镜头的优劣,后来有一次对着太阳聚焦,发现了一些暗线,如果镜头不佳,暗线就不清晰。为此他特地做了细致的研究,绘制了574(也有说576条)条线的位置,并给予编号,并指出线的位置不因太阳光直射还是月球或其他行星反射,位置是一样的。这个发现虽然被详尽的记录并做了报告,但并没有引起重视,直到1859年才被Kirchhoff 和Bunsen证实,并命名为夫琅和费线。

虽然期间夫琅和费做了不少实验,也颇有心得,但技术和挣钱并不成正比。他尝试去挣钱,甚至做绘画,雕刻,做商业卡片等等,但毕竟没有经验,王子给的钱大部分都耗费了,他只好又回到Weichselberger 这位前老板作坊里做熟练工人。

从起点又回到终点,这可谓起伏很大了,不过幸好还有Joseph von Utzschneider 的推荐,他遇到了Benedictine教的和尚名字叫 Ulrich Schiegg,经过后者的考察,认为他颇像可造之才,推荐他去Utzschneider 和 Reichenbach合开的公司做事,公司的名字是:Munich Philosophical Instrument Company,是世界上最有名的光学仪器制造公司。

1806年5月19日,他最终彻底离开了这位讨厌的老板,新的征程开始了。

Georg Reichenbach和Joseph Utzschneider1802年时,在慕尼黑合资开了生产地学勘探方面的仪器车间。因为在那个时代,缺乏精确的地图,无论政府的规划还是军事方面的要求,这种需求都是迫在眉睫。Reichenbach早期是在Mannheim学习军事理论,而后被派到英格兰学习瓦特的蒸汽机,1793年,他回到Mannheim。在英格兰期间,除了学习瓦特的蒸汽机之外,还接触到很多光学显微方面的高手,比如Ramsden和Dollond等等,和高手切磋自然受益匪浅,他回到德国之后,对光学方面一直很注意。

1800年左右,他随巴伐利亚的军队出征,他想到应该设计一个专门的机器做高精度的绕环,利于提高望远镜的精度。后来天文学者Bessel测量了一下他利用这种仪器做的镜头精度,只有0.325分弧度的误差。Reichenbach自己还设计了很多仪器,放在自己的架子上准备出售,但就是缺一些关键的精密光学部件。

夫琅和费来到公司随身的所有财产,只有他的手艺,一些书,还有几个Georg Friedrich Brandner制作的英格兰望远镜和设备。他加入这个公司后的第一件事,就是去研磨和抛光这些关键部件。当天才遇到了最佳的发展环境,那种气势真叫虎啸山林,龙翔九天。

夫琅和费进入工作状态后的第一个活是为Ofen天文台做天文望远镜。他自然不会墨守陈规的去努力干活,而是着手分析制作过程中的每一步,并设法改进。
比如说:他设计了一种打磨仪器,可以使零部件的质量尽量不因加工工人的技术水准参差不齐而出现大的波动;他还设法改进打磨剂和粘合剂的组成,以提升打磨效率和粘合质量。为检验打磨镜面是否合格,他引进一种绝对平面玻璃来检验镜面的平整性和同轴性。靠着这些改进和琢磨,在刚开始的几年里,他制作的光学设备的表面质量大大优于其他工厂的做工,声名鹊起。
夫琅和费的职业生涯有点像张无忌同学,先拿青牛的医书,后练九阳神功,接着碰到乾坤大挪移,看看还不行,就弄个布袋让你圆转如意。虽然夫琅和费主要是凭着自己兴趣和天资,孜孜以求。不过要说让他彻底成为一代风云人物,还得说一个瑞士人帮了他的大忙,这个人就是Pierre Louis Guinand,一个玻璃工匠。



1807年末,Utzschneider把工厂搬到了Benediktbeuern,在那里他建立了一个小的玻璃熔制工坊,专门制作高质量的玻璃。这个玻璃工坊的技术核心就是Pierre Louis Guinand。Utzschneider是怎么请到这个瑞士人的呢?说来也是有心插柳柳成荫,他本来是去瑞士的Neuchatel找高质量的无条纹玻璃,因为玻璃制作不好,就有不均匀的条纹出现,对高质量光学仪器来说,是个杯具。后来大概是这位瑞士工匠的手艺让他一见倾心,立马决定高薪聘请他来德国,工资是年薪500德国金币,我想这在当时应该是很高了,毕竟是金币啊。瑞士工匠Guinand来到德国的任务是生产高质量的冕玻璃和燧石玻璃,并改进了制备工艺,加了一个特殊搅拌子进去,的确他做出来的玻璃质量很棒,但也有不如意之处:并不能保证每锅都很好。

也是在这个期间,夫琅和费通过计算发现,即便自己打磨和粘结工艺都很牛,但最终决定仪器质量的还是玻璃本身。1809年末,通过Utzschneider的游说或者劝说,或许加了其他的利诱,终于Guinand还是教给夫琅和费制作玻璃的熔制秘密。我记得小学时看到一个科普画报,上面介绍俄罗斯人费了好大劲去德国学习玻璃制作工艺,最后得到的秘密居然只是:搅拌。看来那个介绍也不尽然正确,熔制中也是有不少秘密的。

不遵循套路,不断改进是他的长项,他通过改进熔制玻璃的器皿容积,寻找高质量的玻璃制作原料,比如石英,石灰,碳酸钾等等,终于研制出了高质量可重复的玻璃制备工艺。他还拓展了玻璃的品种,更适合大型高质量的光学设备制作。

 

也正是在1809年的时候,他已经开始以类似合伙人的身份主管工厂的生产了,可以得到三分之一的工厂利润,可以每月有400金币的报销额度,每月工资也有480金币。他的工作能力得到了充分发挥,他建议工厂要提高生产速度,至少每天要出一台设备,而且生产的品种也从小型望远镜,显微镜,看歌剧用的望远镜,放大镜这些小型设备最终发展到大型天文望远镜和测日仪等大型设备。工厂实力与日俱增。

 

中国的手艺人一般只把手艺传给自己的后代,只因为是想让自己的后代将来有口饭吃,传给他人就丧失了技术优势,这个道理似乎放之四海而皆准,瑞士工匠Pierre Louis Guinand最终在1814年离开德国回到瑞士,10年后去世。也有不少网页说他是利用搅拌制备出高质量玻璃的先师,或许各有各的来由。无论怎样,是他的传授才使夫琅和费突破了技术瓶颈,有了进一步的发展。这时的夫琅和费已经可以通过计算和实验完全掌握玻璃的制备工艺,是工厂绝对的技术核心。

同一年,Utzschneider的第一个合伙人Reichenbach离开了工厂,从而夫琅和费正式成为工厂的合伙人。这时他的月薪已经从480涨到1500金币,免费享受住宿和冬天的取暖设备。从一个学徒工,到一个合伙人,路程的起点其实就在1801年那次事故,13年的时间,对于他来说,应该是充满了人生感悟,最大的感悟是什么呢,设身处地如果想想,大概是感恩吧。

 

这个时候工厂已经能生产37类光学设备,而且已经能稳定生产,比如大型观日仪是1430金币,六物镜双目镜的显微镜是520金币,还有观星爱好者所用的天文望远镜,地域望远镜,放大镜和三棱镜,显微镜,大型设备也颇有建树,口径18cm的折射望远镜已经能成熟生产,不过价格没有查到,应该颇为昂贵。

这些显微镜都需要特殊的专业技术和工程技术,比如高质量无条纹玻璃,弹簧卡套式结构,以保证使用前能同轴径向一致的安装到位。

光学仪器的生产深度是不可测的,但二人的合做几乎能生产各种零部件,除了铜合金和锻件需要购买,其他的所有部件都是工厂自己设计制作的,从螺帽螺栓,表盘刻录,三脚架到精密操纵杆,无一不精。不过也有例外,望远镜的木质外套是木匠Riesch做的,他能为木头钻大孔装阀杆,也可以用很多小薄片来粘结组合望远镜的外壳。“座中皆是豪英”

夫琅和费负责仪器的计算,设计和测试,并为每个仪器写下详细的手册,对于大型设备,他还负责现场拆箱和装备的过程,忙人啊。

1817年,Utzschneider遇到了经济问题,他因为对纺织厂注入大量投资,但并没有将纺织品卖个好价钱,没有收回投资,另外一个银行的倒闭也迫使他卖掉他在Benediktbeuern的女修道院的房子,回到巴伐利亚州。玻璃工坊,木匠铺和一些小工作间保留在原处,工厂主体搬迁到慕尼黑。

由于已经是家大业大,整体搬迁耗时很长. 而这时其实夫琅和费正在制造一个大型折射望远镜,订货的是俄罗斯Dorpat天文台(现在在Estonia的Tartu)。

这台望远镜的物镜终于在两年后的1819年完工了,但不知道为什么,仪器在1824年才启运,不管怎样,在装了22个集装箱的船抵达Tartu时,已经是1824年的11月10号。由于夫琅和费吧仪器和零部件的清单做相当详细,而且对安装和操作分部件的可能会出现的问题都做了精准的描述,尽管夫琅和费在慕尼黑没有出现在现场。在11.16日,也就是仅仅6天后的凌晨,当第一缕阳光照在Tartu时,仪器整体终于安装成功,这个望远镜是1820年那个年代最先进的望远镜之一了。
望远镜安放在一个房间里,能看到子午线10度的范围,6个月后移动到一个塔楼上,用这个望远镜,可以同时用四个目镜,放大倍率是175-700倍。在接下来的3年里,天文学家Struve观察并测量了3000个双星之间的距离。



1993年,望远镜在Enno Ruusalepp指导下修复后放在Tartu老天文台的展览馆里。

 

1813年时,那个时候夫琅和费呆的地方还算蒸蒸日上,他就做点研究,研发一些新型的玻璃品种,这个时候,他又看到了光谱中的黑线。

为什么说“又”呢?因为前面在修道院跟那个和尚学技术的时候,他就注意到这个现象,因为他平时是用蜡烛来校准光学器具的,有一天他无意中对着太阳照了一下,发现其中一些黑线是蜡烛光里没有的,之前其实Wollaston也注意到这种现象,但没有仔细研究。

为了研究这些谱线,他发明了光谱仪,他用这种设备检测多种元素的发射光谱。他发现,不同的元素会沿着光谱在不同位置呈现谱线。另外,他也发现,月亮和其他行星和太阳的谱线是一样的,但其他恒星的与太阳则不同。经过大量实验,他记录下太阳的所有发射谱线。夫琅和费经过仔细甄别,总共可以分辨574条线,并对其中的强线以A到Z为标记,至今这种标记仍在使用。如今,这些线的草图和印刷版还都在,至今仍然可以说是杰作。

他把用电火花,不同的光源和星光做实验观察到的现象记下来,1817年4月12号寄给巴伐利亚科学院,并于同年发表,其他工作都在接下来的几年里相继发表。

 

在研究谱线的同时,他还研制了光栅和棱镜来分光。他认为金属网可以用来做为多重薄光栅。1821年,他用一个含有260根独立格线的衍射光栅做了衍射实验。后来他发现,格线离得越近,光谱就分得越开,从而更利于研究分析。

1824年8月15日,‘Civil Order of the Bavarian Crown’同意夫琅和费加入并给他授予骑士,接下来的几年里,夫琅和费就在巴伐利亚大学任教。他的弟子中一个是Friedrich August Pauli, 大概因为资质较好,夫琅和费写信给巴伐利亚王称Pauli是他唯一的继任者。

由于夫琅和费是工匠出身,所以他对自己的手艺看的很重。因此,他对于玻璃的制作从来不发表任何文章,甚至在他去世之后,也很少有人被允许进入他的实验室。也正因为如此,尽管他被授予骑士,他一直不被学术界承认,而只是称他为工匠,甚至也不邀请他做演讲或者参加会议。尽管他对现代光学贡献良多,也颇有声名,他的一生里其实是一直为学术界看不起的。

无论外界怎么看,夫琅和费一直持续做着自己心爱的实验研究,这才是他最幸福的事情,虽然终身未婚,可能做自己想做的事业,其他都是虚妄。直到1826年6月7日,他因肺结核医治无效去世。据说这很可能是因为长期从事吹制玻璃工艺,重金属污染导致的。三天后,他被葬在Südfriedhof(慕尼黑),挨着Reichenbach的墓地,可谓人归其所了。

 

好像这些资料都比较翔实,但由于自己读得比较粗糙,一些专业词汇也拿捏不准,错误在所难免,各位有不同意见的,多多指教啊!

 



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