光学显微镜由于光的波长所限，可分辨的最小极限是2纳米（2×10-9m）。小于这一尺寸的物体，例如直径约0.1纳米（10-10m）的原子，无论显微镜放大多少倍也无法形成清晰的图像，因为光波绕过了它们。
难道人们真的永远不能看到原子吗？
正当人们感到束手无策时，法国物理学家德布罗意在20世纪20年代提出，所有物质粒子（包括电子）都具有波的特性。很快，美国科学家通过用电子轰击金属镍的实验，证明高速电子束确实具有类似光波的性质。当加速电压为50kV时，电子束波长约为5.3×10-12m，远远小于可见光的波长。
一些人立即想到，可以用电子束代替光来提高显微镜的分辨能力。1932年，德国柏林工业大学的年轻科学家鲁斯卡等人利用阴极射线管制成世界上第一台简易的电子显微镜，能将图像放大400倍。第二年，经过改进的电子显微镜的分辨能力达到了5×10-8m，能够将图像放大1万倍，超过了光学显微镜的观察极限。到1937年，已能制造出分辨率为10-9m的电子显微镜。鲁斯卡因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。
早期的电子显微镜同时获得这一奖项的还有德国科学家宾尼希和瑞士科学家罗雷尔。他们在1982年合作研制成功世界上第一台扫描隧道效应显微镜，放大倍率超过了300万倍，最小分辨能力为1皮米（pm），也就是10-12m，不仅能够使人们首次看清物质表面排列的一个个原子，而且还能够分辨出原子表面约1%大小的面积，使人类能够直接观察到单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。
除了用于观察之外，科学家还可以将扫描隧道效应显微镜作为操作工具，利用极细的微探针在各种微观物体表面上直接进行刻写，还可以把吸附在表面上的吸附物质如金属小颗粒、原子团及单个原子等从表面某处移向另一处，甚至可以用一个个原子构造分子，或者把分子分解成一个个原子。由于扫描隧道效应显微镜具有这种神奇的功能，它很快便被广泛应用于现代固体物理、材料科学、生命科学等最新科学的前沿领域，使人们能更准确地认识各种病毒、分子、原子和夸克，并成为纳米加工微电子器件的关键技术。
中国科学家在1988年成功地研制出扫描隧道效应显微镜。后来，又先后研制出我国第一台原子力显微镜、激光力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜等。