图6-16 场致发射显微镜
在一带电导体上任何尖锐突出部分的周围那种非常高的电场，有很有意义的应用。场致发射显微镜 的操作就有赖于在一金属尖端上所产生的高场 [2] ，它是按如下方式制成的：一根非常细小的针，其尖端的直径约为1000Å，被安置在一个抽成真空的玻璃球泡的中心（图6-16）。球的内表面涂上薄层荧光材料导电膜，而在这荧光涂层与针之间加上一个非常高的电压。
图6-16 场致发射显微镜
让我们首先考虑，当针相对于荧光涂层是负时所发生的情况。场线在尖端处高度集中。电场可以高达4GVm-1 。在这样强的场中，电子会从针的表面被拉出去并在针和荧光涂层之间的势差中被加速。当电子到达涂层时就会引起发光，正如电视显像管中的情况一样。
那些到达荧光面给定点上的电子，在很高的近似程度上，可以看作是发源于径向场线的另一端，因为电子将沿着场线从该点跑至面上来。这样，我们在荧光面上就看到了针的尖端的某种像。更正确地说，是看到了针表面的发射率 图像——也就是电子离开金属尖端表面的难易程度。如分辨率足够高，人们还可以指望能够分辨出在针的尖端处个别原子的位置。利用电子，由于下述一些原因，这样的分辨率无法达到。首先，电子波存在一种量子力学效应的衍射，它能使像模糊。其次，由于电子在金属中的内在运动，它们在离开针面时会有一个小小的侧向初速，而这一种速度的无规横向分量就会引起像的某种模糊不清。这两种效应合在一起迫使分辨率限于25Å左右。
然而，如果我们颠倒电极方向，并在玻泡中引进少量氦气，那就可能得到高得多的分辨率。当一个氦原子与针尖碰撞时，那里的强电场会把一个电子从该氦原子中剥离出来，剩下的原子就带上了正电。然后，这个氦离子就会沿着场线向外加速直至荧光屏。由于氦离子比电子重得多，其量子力学波长就小得多。如果温度不太高，则热速度效应也比电子的情况小。所以像就有了较少的模糊程度，一个清楚得多的有关尖端的图像就可以得到。用这种正离子的场致发射显微镜，有可能获得高达二百万倍的放大率——放大率比最佳的电子显微镜要高出十倍。
图6-17 由一架场致发射显微镜所产生的像［宾夕法尼亚州州立大学物理学研究教授埃尔温W. 穆勒提供］
图6-17是由一台利用钨针的场致发射显微镜所得结果的一个例子。一个钨原子中心对氦原子的离化，比钨原子间的空隙有稍微不同的比率。在荧光屏上的斑点图样就会显示出钨针尖端的单个原子 的排列。斑点之所以表现为环形，可以通过观察一个大箱子里用以代表金属里原子的、被堆积成矩形阵列的小球而得到理解。如果你从该箱子里划出一个粗略的球形的部分，便可以看到原子结构的环状图样特性。场致发射显微镜第一次为人类提供了观察原子的工具。鉴于该仪器的简单性，这是一项了不起的成就。
[1] 有人认为电容“capacitance”和电容器“capacitor”这两个较新名词应分别代替电容“capacity”和电容器“condensor”那两个词。我们决定采用那较古老的一套名称，因为在物理实验室中——即使不是在书本里——这套旧名称仍会普遍用到。
[2] Müeller E W. The Field-ion Microscope. Advances in Electronics and Electron Physics ，1960，13：83—179. Academic Press，New York.