弗里茨·泽尔尼克

荷兰物理学家、1953年诺贝尔物理学奖获得者

弗里茨·泽尔尼克（荷兰语：Frits Zernike，1888年7月16日-1966年3月10日）荷兰物理学家，1953年因相衬显微技术而获诺贝尔物理学奖。

人物生平

弗里茨·泽尔尼克于1888年7月16日出生于阿姆斯特丹，是家中六个孩子中的老二。他的父亲卡尔·弗雷德里克·奥古斯特·泽尼克是阿姆斯特丹一所小学的数学老师兼校长，他天赋异禀，对许多科学分支都感兴趣；他编纂了一系列科目的基础书籍，还发表了许多有关教育学的文章。他的母亲安特耶·迪佩林克也是一名数学老师。他的一个兄弟也成为了物理学教授，他的一个姐姐嫁给了著名画家扬·曼克斯，是荷兰新教教会第一位被任命的女性，另一个姐姐是荷兰最重要的文学人物之一。弗里茨从父亲那里继承了对物理的热爱；小时候，他就拥有了一大堆锅、坩埚、管子，这些东西都是他用自己的零花钱拼凑起来的，或者是从有心的制造商那里得到的礼物。在中学时，他在科学科目上表现出色，忽视了历史和语言（包括希腊语和拉丁语）等科目，后来他必须通过国家入学考试才能被大学正式录取。在求学期间，他把所有的业余时间都投入到无休止的实验中，还涉足彩色摄影领域。由于经济拮据，他不得不自己合成以太，以备摄影实验之用。他的其他聪明才智成果是一台照相机和一个微型天文台，该天文台配备了一台旧唱片机的发条装置，使他能够拍摄彗星的照片。他还与父母一起沉迷于解决艰深的数学问题。

1905 年，他进入阿姆斯特丹大学学习化学，辅修物理和数学。他早期对数学的兴趣源于一篇关于概率的获奖论文，1908年他因此获得了格罗宁根大学的金牌。

1912年，哈勒姆荷兰科学协会也奖励了他关于临界乳光的更详尽的研究，该协会的评审团由当时的杰出科学家组成：亨德里克·安东·洛伦兹、约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯和哈加。当被要求在金牌和金钱之间做出选择时，他回信说他更喜欢金钱，因为他已经享受过获得金牌的特权。这篇获奖论文后来成为他博士论文 (1915) 的基础。在论文的理论部分，他应用了约西亚·威拉德·吉布斯的统计力学，这成为他与在同一领域工作的 L.S. 奥恩斯坦多年富有成效的合作的起点。

1913年，格罗宁根大学著名的天文学教授卡普坦邀请他担任助手。 1915年，他获得了第一份大学教职，不是化学，也不是天文学，而是作为奥恩斯坦的继任者，在格罗宁根担任数学物理讲师，1920年，他成为格罗宁根大学全职教授。他在统计学方面的论文包括与J.A. Prins合著的一篇论文，介绍了液体中两个分子位置相关性的g函数，一篇发表在盖革和谢尔手册中的长篇文章，以及有序无序问题中的近似方法 (1940)。在他的实验工作中，由代尔夫特的Kipp and Sons自1923年以来制造的灵敏检流计是众所周知的。

从1930年起，他转向光学，开发了相位对比，撰写了关于凹面光栅成像误差和部分相干性的文章。在学生的合作下，他解决了透镜像差对焦点处衍射图案的影响问题（1938-1948 年）。有趣的是，1930年的一个晚上，他在自己全黑的光学实验室中发现了相差现象，这一伟大发现并没有立即得到应有的关注。举世闻名的耶拿蔡司工厂完全低估了他的相差显微镜的价值。直到德国国防军对所有可能在战争中发挥作用的发明进行盘点，才最终在1941年)生产出第一台相差显微镜。

相衬显微技术

相衬显微技术是一种光学显微技术，光线在穿过透明的样品时会产生微小的相位差，而这个相位差可以被转换为图象中的幅度或对比度的变化，这样就可以利用相位差来成像。

光线在穿过非真空介质时，会与介质发生作用从而产生幅度和相位的变化，这种变化与介质的性质相关。幅度的变化通常是由于介质对光的吸收，变化程度与波长也就是光的颜色相关，而介质的厚度、折射率的变化会导致光线相位的改变。人的眼睛仅能测量到达视网膜的光线的能量强度，而很难观察到相位的改变，普通的光学显微镜也无法检测相位的改变。然而相位的变化通常也会携带相当多的信息，但是在对光线进行测量的时候这部分信息就全部丢弃了。为了使相位变化的信息可以被观察到，就需要将穿过样品的光线与参考光源相结合，相干的结果可以显示出样品的相位结构。

相衬显微镜观察样品时不需要进行染色，在观察细胞的时候也就不会对细胞标本产生伤害，因此这种显微镜可以用来研究细胞周期。

历史

相衬显微技术是二十世纪三十年代弗里茨·泽尔尼克在研究衍射光栅的时候发明的。在研究中，他认识到与参考光干涉是很有必要的，而为了最大化对比度，需要向参考光中引入相移，这样可以产生完全的相消干涉。随后，他认识到相同的技术可以用于光学显微技术。首先需要在玻璃上精确蚀刻圆环，当将玻璃插入显微镜的光路中的时候，就会产生所需要的相移。这个技术称为相衬技术。

光学显微镜观察的许多对象如原生动物、细菌、精子的尾等等细胞结构在染色以前都是透明的。染色是一个非常困难和耗时的过程，而且有时还会对标本产生伤害。然而，观察对象的密度和成分不同经常会使光线在穿过它们的时候产生不同的相移，因此他们有时候也被称为相位物体。使用相衬技术可以使这些结构显示出来，同时允许对活体标本进行研究。

相衬技术是显微技术中的一个重大进步，它的发明人泽尔尼克因此荣获1953年的诺贝尔物理学奖。目前，在大多数高级光学显微镜中都使用了相衬技术或提供可选的相衬套件，而它也被广泛应用于为透明标本如活体细胞和小的器官组织提供对比度图像。

原理知识

目前主要应用的相衬显微镜的原理，它的核心是一个位于聚光器的孔径光阑位置的匹配环1和位于物镜镜头后方的相位板。首先光线从照明用的灯丝内的一点射出，由场透镜精确的聚焦在聚光器处的匹配环的开放处。由于这个位置处在聚光器的前焦平面，光线在通过聚光器后将变成平行光。假设这两束光线在标本平面2（也就是显微镜的载玻片的位置）不发生反射和折射，它们将平行的射入物镜。由于所有的平行光都会聚焦在后焦平面上，物镜的后焦平面是聚光器的前焦平面的共轭平面。而实际上，部分光线通过标本以后将会发生反射和折射，而后将在平面3处聚焦，因此平面3也是物平面的共轭平面。为了完成调整相位的需求，需要在此处添加一块相位板。相位板的另一个作用是将未被标本影响的光线减弱，用相位对中望远镜观察物镜后方的相位板，可见减光材料形成的暗环。大多数现代显微镜厂商使用真空沉积法制造相位板，把电解质或金属材料沉积在独立镜片上，或者直接加工在物镜的某片透镜表面。

如果要使相衬显微镜清晰成像，需要将这两个部件准确的放置在一起，中心也需要对准。在调整的过程中，使用相位对中望远镜暂时的取代一个目镜，让物体的像聚焦在相位板上，然后通过望远镜观察将匹配环和相位板对应的环调整到同心位置。

曾经有过一种有趣的相衬设计的变种，在这个设计中，匹配环被一个十字形的传输缝代替，而位于物镜共轭平面的相位环被一个十字形的相位板代替。这个设计的优点是在所有的相位物体的放大过程中只需要一个缝状光圈，而十字的形状使得重新对齐中心和旋转对齐非常容易，因此调整不再需要使用对中望远镜了。

一些型号的显微镜在出厂前已经预先校准聚光镜系统，并不需要用户进行相衬对中操作。此外，相衬物镜也可以用于明场观察，只需将环形相衬光阑移出聚光镜的光路，切换为明场照明即可。

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