摘要
1993年，美国阿拉斯加州格伦纳伦镇，一个11岁女孩遇害，嫌疑人查尔斯·史密斯哈特虽出现在现场附近，却没有直接证据能把他和谋杀联系起来。破局的关键，是一台扫描电子显微镜（SEM）。法医科学家用SEM自带的X射线能谱探测器，分析了现场找到的金属碎屑。结果发现，这些铁屑呈球形，这种形状只有焊接或打磨才会产生。而史密斯哈特的修理铺里正好有焊接设备，他有时会帮附近的孩子们修自行车。就凭这一点，检方获得了定罪所需的关键证据。这不禁让人好奇：为什么非得用SEM，高中实验室那种普通光学显微镜不行吗？
光学显微镜的局限
光学显微镜大家很熟悉，但它有个硬伤，可见光经过透镜边缘会发生衍射，限制了放大能力和分辨率。一般光学显微镜能放大几百倍已经很不错了。而SEM的放大倍数可以轻松超过30万倍。更厉害的是，它的景深极大，拍出来的图像带着近乎3D的立体感，不像光学显微镜下那种扁平画面。此外，SEM还能“看穿”物体表面，告诉研究人员样品的元素成分。在史密斯哈特案中，这几个特性缺一不可。
SEM的缺点
不过，SEM的缺点也同样鲜明。首先就是贵，最便宜的也要数万美元。仪器又大又复杂，操作需要相当的专业知识，所以长期以来只活跃在尖端科研和工业领域，近几年才慢慢变得亲民一些。
从被判“死刑”到不可或缺
说起来你可能不信，今天遍布全球实验室、数量超五万台的SEM，刚诞生时差点被判了死刑。1935年这项技术首度亮相，一群市场专家被请来评估前景。他们征询了科学界的意见，结论相当悲观：全世界顶多需要10台。幸而这一冷水没能浇灭研发者的热情。
光学显微镜走到了极限之后，科学家开始寻找新路。1932年，世界上第一台透射电子显微镜（TEM）问世，它用电子束穿透样品，在荧光屏上成像。SEM的理念和TEM一脉相承，仅隔了几年就出现了。然而当时TEM风头正劲，SEM一度被视为多余。多亏了剑桥大学工程学教授奥特利近乎偏执的坚持，他和同事、学生们一道，把SEM超高倍率和惊人的3D成像能力实实在在地展示了出来，这才让这种显微镜真正走进人们的视野。如今，从检测半导体缺陷到揭示昆虫身体构造，SEM早已成为寻常工具。
SEM的工作原理
那么，SEM到底是怎么工作的？
可以把它想象成一台极精密的配钥匙机。我们配钥匙时，机器沿着原钥匙的凹槽逐点描摹，在钥匙坯上切出一模一样的轮廓。SEM也是“描摹”，只是用来描摹的是一束极细的电子，样品就是“原钥匙”。电子束在样品表面一行行来回扫描，不断敲打出样品表面的二次电子。二次电子检测器收集这些电子，依据接收到电子的多少，在显示屏上对应点亮或暗的像素。就这样，一点接一点，一行接一行，一幅立体感十足的高分辨率图像被“扫”了出来。
除了二次电子，背散射电子探测器和X射线探测器还能分别接收从样品表面反弹回来的电子和从表层以下激发的X射线，从而告诉研究者样品的成分信息。这便是“扫描”二字的内涵。
要指挥电子束乖乖扫描，少不了扫描线圈的功劳。扫描线圈通过变化的电压产生磁场，精确控制电子束在样品上一小块区域内左右前后移动。研究人员如果想放大图像，只需让电子束扫描更小的区域即可，就像用更细的笔触去描摹。
核心组件
让这一切精密运作的，是SEM内部几大核心组件。
电子枪
最首要的是电子枪。不是科幻片里的武器，而是产生稳定电子流的装置。常见的有两种：热离子枪加热钨灯丝，把电子“赶”出来；场发射枪则通过强电场把电子从原子身边“拽”出来。电子枪通常位于仪器顶部或底部，朝样品射出一束电子。
磁透镜
然后是一组特殊的“透镜”。它们不是玻璃做的，而是磁铁制成的。磁场可以让电子拐弯，从而把电子束聚焦成极细的一点，准确轰在样品上。
样品室
样品室得绝对稳固。任何微小的振动都会破坏成像，所以许多SEM被特意安装在大楼底层。样品室还能旋转、倾斜样品，省去了反复取放重新固定的麻烦。
探测器
再有就是各种探测器，如同显微镜的眼睛，各司其职。Everhart-Thornley探测器专门捕捉来自样品最表层的二次电子，成像细节最丰富。此外还有背散射电子探测器和X射线探测器，负责采集成分信息。
真空环境
最后，这一切必须在高真空环境中完成。如果没有真空，电子束一路会撞上空气分子，路径被干扰不说，空气微粒还可能沉积在样品表面，污染甚至破坏观测面。
样品准备与操作
真正操作SEM之前，样品得先过几道关。因为仪器内部是真空，而且依赖电场，样品准备不能马虎。
