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TBBT第4季10集:双光子显微镜(附视频)

(文/大卫·萨尔兹保)本集中艾米在为她的双光子显微镜准备大脑样本。双光子显微镜的工作原理与爱因斯坦理论的基本陈述相违背,但正是此理论为爱因斯坦赢得了诺贝尔奖。

1905年对爱因斯坦来说是忙碌的一年,也被人们成为“奇迹之年”。在这一年中,他完成了狭义相对论,但并未因此获得诺贝尔奖;他完成了热力学基础理论的关键,但仍未获得诺贝尔奖;为爱因斯坦赢得诺贝尔奖的是他对光电效应的解释,这也永远地改变了我们对光的看法。

原子由质子和电子两种带电粒子组成。原子通过这些带电粒子与光相互作用。这个现代物理已经研究了近百年的理论,是激光、机场安检扫描仪等事物的基础。爱因斯坦解释了处在特定能量以上的光如何从原子中剥离电子。把一小部分能量给予电子可能会扭曲它的轨道,但不会使它脱离原子的引力。只有足够大的能量才能把电子与原子分开。但物理学家们发现无论多明亮的可见光,都不能把电子从材料中剥离,但微弱的紫外光却能做到。

爱因斯坦作出了解释。他预测光束的能量由一个个光粒子携带,现在它们被称为光子。爱因斯坦参考了普朗克的观点,普朗克曾为了解释红热物体的颜色和亮度假定了此种观点。但爱因斯坦并没有把这种观点当成简单的数学技巧,而是采用它描述了真实的自然光束。根据他的理论,光和原子会像两个台球一样碰撞。对大多数材料来说,可见光粒子没有携带足够剥离电子的能量,只有紫外光才能做到这一点。不管可见光有多强烈,情况也不会有任何改变,光子的能量仍不足以敲出电子。这种光和电子的最基本作用被称为光电效应。

在我的大学时光中,我们花费了大量时间研究此效应。我们把光束射向金属,并寻找由逃逸电子生成的电荷。这与金属带静电的方式相似。但是无论可见光的强度有多大,都没有电荷生成。不过一盏小小的紫外线灯(你可以在日光浴床中找到它)就能马上给金属充电。只有紫外光光子才携带足够使电子逃逸的能量,所以说任何事都会有种限度。这也是射线能轻易损伤皮肤,但可见光却对人无害的原理。

“等等!”你也许会想,如果原子一次吸收了两个光子(“双光子”)会发生什么?两个低能量光子(如红外光光子)相加能否剥离电子?想法很好,但是却晚了80年。玛丽亚•格佩特-梅耶1931年在她的博士论文中预测了这种效应。后来,她通过揭示原子核的结构获得了诺贝尔奖。

这种效应发生的概率很低,因为两个光子必须于同时间在原子内融合。大多数原子和光碰撞都相当微弱同时范围很小。在本科实验室中,我们甚至没有接近能产生该效应的能力。玛丽亚•格佩特-梅耶预测的效应非常微弱,所以必须发明一种与面积相关的新测量单位。今天,为了纪念她的贡献,该单位被命名为“GM”。

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如果没有强度足够的光源,该效应也许会一直停留在理论阶段。激光的发明者,查尔斯•汤司拥有了这种设备。他的学生艾萨克•阿贝拉是首批实验论证双光子吸收的物理学家之一(也是我的导师之一),阿贝拉使用红外激光灯产生了吸收效应,能量比爱因斯坦模型中预测的少二分之一。

双光子技术为科学家们(也许谢耳朵会加上“……和生物学家”)带来了革命性的能力,使得他们得以研究厚样本甚至是活组织。双光子显微镜精确地应用了格佩特-梅耶的预测效应。所以本集中有了这样的讨论:谢耳朵抱怨艾米把样本切得太薄。如果使用电子显微镜,样本切得越薄越好,但厚样本是双光子显微镜的最爱。我们很幸运,Newport公司借给节目组一台双光子显微镜,所以我们才能在剧集中看到它。

双光子显微镜的能量不足以解放电子,但两个光子可以激发荧光染料的分子。由此产生的单光子荧光的频率接近入射红光或红外光的两倍,荧光光子通常为绿色,可以由高强度入射光分离产生图像。

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双光子显微镜拍摄的老鼠大脑神经元图片

因为此技术需要吸收两个光子,所以激发速度基于照度的平方。通过仔细汇聚入射光,选择样品发光的一个小区域,你可以在不使用外部光的情况下拍摄细节图片。而传统的显微镜必须借助外部光的帮助。

所以最终我们在生活大爆炸中看到了穿实验服的科学家。当剧集中有生物学家时,这也是在所难免的。

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博主介绍: 大卫·萨尔兹保(David Saltzberg)是美国加州大学洛杉矶分校的物理、天文学教授。与此同时,他还担当着《生活大爆炸》的科学顾问。剧中Sheldon一伙所说的那些专业术语,全部出自此人之手。在他的博客里又进一步阐释了那些令人挠头的科学小知识。

The End

发布于2011-05-15, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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