Зміст:
Шлях мікроскопії 3 Межа мікроскопії 5 Невидимі випромінювання 7 Електрони та електронна оптика 9 Електрони - хвилі!? 12 Програвач електронного мікроскопа 13 Об'єкти електронної мікроскопії 15 Види електронних мікроскопів 17 Особливості роботи з електронним мікроскопом 21 Шляхи подолання дифракційного межі електронної мікроскопії 23 Список літератури 27 Малюнки 28Примітки:
Символ означає зведення до степеня. Наприклад, 2 3 означає "2 в ступені 3". Символ e означає запис числа в показовій формі. Наприклад, 2e3 означає "2, помножене на 10 у 3 ступеня". Усі малюнки знаходяться на останній сторінці. Внаслідок використання не зовсім "свіжої" літератури дані в цьому рефераті не відрізняються особливою "свіжістю".Око не бачив би Сонця,
якщо б він не був подібний
Сонцю.
Гете.
Шлях мікроскопії.
Коли на порозі XVII сторіччя був створений перший мікроскоп, навряд чи хто-небудь (і навіть його винахідник) міг уявити майбутні успіхи і численні області застосування мікроскопії. Озираючись назад, ми переконуємося, що цей винахід знаменувало собою щось більше, ніж створення нового пристрою: вперше людина отримала можливість побачити раніше невидиме.
Приблизно до цього ж часу належить ще одна подія ¾ винахід телескопа, що дозволило побачити невидиме в світі планет і зірок. Винахід мікроскопа і телескопа являло собою революцію не тільки в способах вивчення природи, але і в самому методі дослідження.
Дійсно, натурфілософи давнину спостерігали природу, дізнаючись про неї тільки те, що бачив очей, відчувала шкіра, чуло вухо. Можна лише дивуватися тому, як багато правильних відомостей про навколишній світ отримали вони, користуючись "неозброєними" органами почуттів і не ставлячи спеціальних експериментів, як це роблять зараз. Разом з тим, поряд з точними фактами і геніальними здогадками як багато помилкових "спостережень", тверджень та висновків залишили нам вчені давнини та середніх віків!
Лише значно пізніше був знайдений метод вивчення природи, що полягає в постановці свідомо планованих експериментів, метою яких є перевірка припущень і чітко сформульованих гіпотез. Особливості цього методу дослідження Френсіс Бекон - один з його творців - висловив в наступних, які стали знаменитими, словах: "Ставити експеримент - це учиняти допит природі". Найперші кроки експериментального методу за сучасними уявленнями були скромні, і в більшості випадків експериментатори того часу обходилися без будь-яких пристроїв, "підсилюють" органи почуттів. Винахід мікроскопа і телескопа являло собою колосальне розширення можливостей спостереження і експерименту.
Вже перші спостереження, проведені за допомогою найпростішої і недосконалої за сучасними уявленнями техніки, відкрили "цілий світ у краплі води". Виявилося, що знайомі предмети виглядають зовсім по-іншому, якщо їх розглядати в мікроскоп: гладкі на погляд і дотик поверхні виявляються насправді шорсткими, в "чистій" воді рухаються міріади найдрібніших організмів. Точно так само перші астрономічні спостереження за допомогою телескопів дали можливість людині по-новому побачити звичний світ планет і зірок: наприклад, поверхня Місяця, оспіваної поетами всіх поколінь, виявилася гористій і вкрита численними кратерами, а у Венери була виявлена зміна фаз, як і у Місяця.
Надалі ці найпростіші спостереження дадуть життя самостійним галузей науки ¾ мікроскопії та спостережної астрономії. Пройдуть роки, і кожна з цих областей розвинеться в численні розгалуження, що виражаються в цілому ряді самих різних застосувань у біології, медицині, техніці, хімії, фізики, навігації.
Сучасні мікроскопи, які на відміну від електронних ми будемо називати оптичними, представляють собою досконалі прилади, що дозволяють отримувати великі збільшення з високою роздільною здатністю. Роздільна здатність визначається відстанню, на якому два сусідніх елемента структури можуть бути ще видимі роздільно. Однак, як показали дослідження, оптична мікроскопія практично досягла принципової межі своїх можливостей через дифракції та інтерференції ¾ явищ, обумовлених хвильовою природою світла.
Ступінь монохроматичности та когерентності є важливою характеристикою хвиль будь-якої природи (електромагнітних, звукових та ін.) Монохроматичні коливання ¾ це коливання, що складаються з синусоїдальних хвиль однієї певної частоти. Коли ми представляємо коливання у вигляді простої синусоїди відповідно з постійними амплітудою, частотою і фазою, то це є певною ідеалізацією, оскільки, строго кажучи, в природі не існує коливань і хвиль, абсолютно точно описуваних синусоїдою. Однак, як показали дослідження, реальні коливання і хвилі можуть з більшою чи меншою мірою точності наближатися до ідеальної синусоїди (володіти більшою або меншою мірою монохроматичности). Коливання і хвилі складної форми можна представити у вигляді набору синусоїдальних коливань і хвиль. По суті справи, цю математичну операцію здійснює призма, розкладаюча в кольоровій спектр сонячне світло.
Монохроматичні хвилі, в тому числі і світлові, однієї і тієї ж частоти (за певних умов!) Можуть взаємодіяти між собою таким чином, що в результаті "світло перетвориться на темряву" або, як кажуть, хвилі можуть інтерферувати. При інтерференції відбуваються місцеві "посилення і придушення" хвиль один одним. Для того щоб картина інтерференції хвиль залишалася незмінною з плином часу (наприклад, при розгляданні її оком або фотографуванні), необхідно, щоб хвилі були між собою когерентні (дві хвилі когерентні між собою, якщо вони дають стійку картину інтерференції, чому відповідають рівності їх частот і незмінний зрушення фаз).
Якщо на шляху поширення хвиль помістити перешкоди, то вони будуть суттєво впливати на напрям розповсюдження цих хвиль. Такими перешкодами можуть бути краї отворів в екранах, непрозорі предмети, а також будь-які інші види неоднорідностей на шляху поширення хвиль. Зокрема, неоднорідностями можуть бути також і прозорі (для даного випромінювання) предмети, але різні за коефіцієнтом заломлення, а значить, і за швидкістю проходження хвиль усередині них. Явище зміни напрямку поширення хвиль при проходженні їх поблизу перешкод називають дифракцією. Зазвичай дифракція супроводжується інтерференційними явищами.
Межа мікроскопії.
Зображення, що отримується за допомогою будь-якої оптичної системи, є результат інтерференції різних частин світлової хвилі, що пройшла через цю систему. Зокрема, відомо, що обмеження світлової хвилі вхідним зіницею системи (краями лінз, дзеркал і діафрагм, складових оптичну систему) і пов'язане з ним явище дифракції призводить до того, що крапка, що світиться буде зображена у вигляді дифракційного гуртка. Ця обставина обмежує можливість розрізняти дрібні деталі зображення, що формується оптичною системою. Зображення, наприклад, нескінченно віддаленого джерела світла (зірки) в результаті дифракції на круглому зіниці (оправі зорової труби), являє собою досить складну картину (див. рис. 1). На цій картині можна побачити набір концентричних світлих і темних кілець. Розподіл освітленостей, яке можна зафіксувати, якщо рухатися від центру картини до її країв, описується досить складними формулами, які наводяться в курсах оптики. Однак закономірності, властиві положенню першого (від центру картини) темного кільця, виглядають просто. Позначимо через D діаметр вхідної зіниці оптичної системи і через l довжину хвилі світла, що посилається нескінченно віддаленим джерелом.
Рис. 1. Дифракційне зображення світної точки (так званий диск Ейрі).
Якщо позначити через j кут, під яким видно радіус першого темного кільця, то як доводиться в оптиці
sin j »1,22 * (l / D).
Таким чином, в результаті обмеження хвильового фронту краями оптичної системи (вхідним зіницею) замість зображення світної точки, що відповідає нескінченно віддаленого об'єкту, ми отримуємо набір дифракційних кілець. Природно, що це явище обмежує можливість розрізнення двох близько розташованих точкових джерел світла. Дійсно, у випадку двох віддалених джерел, наприклад двох зірок, розташованих дуже близько один до одного на небосхилі, в площині спостереження утворюються дві системи концентричних кілець. За певних умов вони можуть перекриватися, і розрізнення джерел стає неможливим. Тому не випадково у відповідності з "рекомендацією" формули, наведеної вище, прагнуть будувати астрономічні телескопи з великими розмірами вхідної зіниці. Межа дозволу, при якому можуть спостерігатися два близько розташованих джерела світла, визначають наступним чином: для визначеності в якості межі дозволу приймають таке положення дифракційних зображень двох точкових джерел світла, при якому перше темне кільце, створюване одним із джерел, збігається з центром світлої плями, створюваного іншим джерелом.
Рис. 2. Крива розподілу інтенсивності в дифракційної картини від двох точкових джерел світла.
d ¾ відстань між центральними максимумами, M ¾ збільшення оптичної системи.
На рис. 2 наведено графік, що характеризує розподіл інтенсивності світла при накладенні дифракційних картин двох близько розташованих точкових джерел світла для випадку, відповідного критерієм Релея. По осі абсцис відкладена величина, пропорційна відстані від центру (див. рис. 1). Суцільна тонка крива характеризує розподіл інтенсивності світла, що створюється першим джерелом; пунктирна крива відноситься до другого з дозволених джерел. Перші максимуми по висоті (тобто інтенсивності) помітно вище наступних, відповідних інтенсивності світла в кільцях, віддалених від центру (див. рис. 1). Суцільна товста крива характеризує сумарне розподіл інтенсивності світла.
Теорія показує, що в разі дозволу за критерієм Релея кут q, під яким видно два досліджуваних джерела світла, дорівнює:
q »0,61 * (l / D). Часто використовується величина А, зворотній граничного кутку q:
А = (1 / q) = D / (0,61 * l),
носить назву роздільної сили оптичної системи.
Наведені основні закономірності обумовлені хвильовою природою світла і обмежують можливість дозволу джерел за допомогою будь-яких оптичних систем, в тому числі в астрономії і мікроскопії. Слід підкреслити, що наведена формула відповідає нагоди самосвітних об'єктів, що посилають некогерентних хвилі. Як відомо, за допомогою мікроскопів часто розглядають об'єкти, висвітлювані стороннім джерелом, це значить, що окремі точки об'єкта розсіюють світлові хвилі, що виходять з однієї і тієї ж точки джерела, і світло, що йде від різних точок об'єкта, виявляється тому в значній мірі когерентним. Визначення роздільної здатності мікроскопа у разі когерентного освітлення, проведене за методом Аббе, приводить до аналогічного результату (деяка відмінність у чисельних коефіцієнти неістотно, оскільки взагалі поняття роздільної здатності кілька умовно).
Граничну роздільну здатність мікроскопа часто називають дифракційним межею, оскільки вона визначається явищами дифракції на вхідному зіниці. Правда, ряд дотепних хитрувань дозволив "зазирнути" трохи далі цієї межі. Тут слід згадати метод, заснований на застосуванні імерсійним систем (в якому простір між предметом і об'єктивом заповнюється спеціальними середовищами) і що дозволяє підвищити роздільну здатність приблизно в 1,5 рази; метод темного поля, заснований на явищі розсіяння світла на малих частках і дозволяє реєструвати наявність надмалих часток, коли їх розміри лежать за межею роздільної здатності мікроскопа; метод фазового контрасту, за допомогою якого можна вивчати повністю прозорі об'єкти.
Невидимі випромінювання.
Користуючись сучасною мовою теорії інформації, можна сказати, що за спробу проникнути за дифракційну межу доводиться платити ціною втрати інформації про деталі досліджуваного об'єкта. Дійсно, методи субмікроскопіі дозволяють лише судити про наявність мікрооб'єктів в полі зору мікроскопа, але не про їх формі і інших деталях.
Вельми помітний якісний стрибок в методах мікроскопії був зроблений фізиками, які стали використовувати в мікроскопії інфрачервоне, ультрафіолетове та інші невидимі оком випромінення. Застосування цих випромінювань для освітлення об'єктів спостереження було пов'язане з їх здатністю поглинати, відображати, пропускати і заломлювати падаюче на них випромінювання. Тому, загалом кажучи, при використанні випромінювань різних ділянок спектра ці об'єкти виглядають по-різному. Отже, підбираючи відповідне освітлення, можна отримати нову інформацію про предмет, оскільки характеристики поглинання, відбиття, пропускання і заломлення реальних неорганічних і органічних речовин залежать від довжини хвилі.
Поряд з цим слід зазначити, що використання в мікроскопії ультрафіолетового випромінювання (більш короткохвильового в порівнянні з видимим) дозволило підвищити межа роздільної здатності мікроскопа. Це легко зрозуміти, якщо згадати, що теоретична межа роздільної здатності пропорційний довжині хвилі джерела випромінювання. Якщо при l »5200 ¾ 5800 A ° (жовто-зелена область, де око володіє найбільшою чутливістю) теоретичний межа роздільної здатності при n = 1 (де n - показник заломлення) становить близько 2000 A °, то при використанні ультрафіолетового випромінювання (l» 3000 A °) теоретичний межа роздільної здатності досягає приблизно 1200A °. Ясно, що в таких ультрафіолетових мікроскопах використовуються спеціальні оптичні елементи.
Всі прилади, що використовують невидимі оком випромінення, складаються з освітлювача (джерела освітлення), оптичних елементів (лінз, дзеркал, призм і т. п.), придатних для робіт в даній ділянці спектру, і елементів, що перетворюють "невидиме зображення" у видиме. Останнім часом стали успішно використовувати для одержання інформації про будову об'єктів радіовипромінювання (міліметрового і субміліметрового), довжини хвиль якого значно більше довжин хвиль видимого випромінювання.
Зупинимося дещо докладніше на деяких загальних фізичних закономірностях, властивих отримання зображення в мікроскопії.
Отримання великого збільшення в принципі можливо шляхом використання відповідних оптичних елементів. Однак якщо межа роздільної здатності приладу вже досягнутий і деталі зображення не можна розрізнити, то подальше збільшення досліджуваного предмета втрачає практичний сенс. Тому існує термін "корисне збільшення мікроскопа". З питанням збільшення пов'язаний також і питання про викривлення в мікроскопі (як і в інших оптичних приладах). Ці спотворення виникають через відхилення оптичних поверхонь елементів (лінз і т. п.) від ідеальної форми, неточного розташування елементів і т. п. Крім цього, спотворення (хроматична аберація) виникають і через залежність коефіцієнта заломлення матеріалів, з яких виготовляються оптичні елементи, від довжини хвилі світла (дисперсії світла в матеріалах). Таким чином, ми бачимо, що "проникнути глибше" в світ малих об'єктів шляхом використання великих збільшень не можна. І тільки використання більш короткохвильових випромінювань, тобто випромінювань з меншими довжинами хвиль, ніж у видимого світла, повинне у принципі привести до підвищення роздільної здатності. Тим самим горезвісний дифракційну межу може бути "відсунутий", і відкривається можливість спостереження та дослідження нових класів невидимих об'єктів і нових деталей вже відомих об'єктів.
Великі надії покладалися і покладаються на діапазон рентгенівських променів (колись таємничих X-променів). Нагадаємо, що рентгенівське випромінювання, що створюється в рентгенівських трубках шляхом розгону електронів електричним полем і їх подальшого гальмування на позитивно зарядженому електроді (антикатоді), так само як і видиме світло, є електромагнітним випромінюванням. Воно характеризується довжинами хвиль на чотири-п'ять порядків меншими, ніж у видимого світла. Наприклад, у медичній діагностиці застосовується рентгенівське випромінювання з l »0,17 ¾ 0,10 A °, а при просвічуванні матеріалів (товсті сталеві та інші вироби) ¾ з l» 0,05 A °. Звідси видно, що використання рентгенівського випромінювання в звичайному оптичному мікроскопі замість видимого могло б дати відповідне, легко оцінюється теоретично підвищення роздільної здатності приладу.
Скористаємося формулою для визначення межі роздільної здатності приладу d »(0,61 * l) / (n * sinj). Для рентгенівських променів коефіцієнт заломлення n середовища дуже близький до одиниці. Тому, якщо скористатися рентгенівським випромінюванням з l »0,1 A ° (це відповідають прискореному напрузі близько 120 кв.), То дифракційну межу складе приблизно 0,05 A °. Однак на шляху реалізації такої привабливої можливості існують принципові труднощі, пов'язані з особливостями рентгенівського випромінювання і його взаємодії з речовиною. Перша і найбільш істотна складність полягає в тому, що рентгенівські промені практично неможливо фокусувати, отримувати їх дзеркальне відображення, а також інші явища, що лежать в основі процесу формування зображень в оптичній мікроскопії. Для створення лінз, призм та інших подібних оптичних елементів у цьому випадку потрібні матеріали з коефіцієнтом заломлення, великим одиниці. Через особливості взаємодії рентгенівських променів з речовиною (ми тут не будемо торкатися подробиць цього питання) коефіцієнт заломлення їх практично у всіх матеріалах близький до одиниці, а точніше - дещо менше одиниці. Навіть найкращі поліровані поверхні не можуть забезпечити дзеркального відображення рентгенівських променів (довжини хвиль рентгенівського випромінювання практично завжди менше середніх розмірів неоднорідностей поверхні). Ця обставина перешкоджає створенню дзеркального рентгенівського мікроскопа.
Незважаючи на перераховані труднощі, в СРСР і за кордоном були успішно проведені експерименти в області рентгенівської мікроскопії, використовуючи деякі спеціальні прийоми. Щоправда, результати цих робіт поки не отримали технічної реалізації. Крім того, вони в даний час не дають можливості сподіватися на будь-яке просування в бік дифракційного межі, відповідного діапазону рентгенівського випромінювання. Разом з тим проблема рентгенівської мікроскопії є в даний час настільки актуальною, що в техніці отримали розвиток деякі "обхідні" прийоми, що грунтуються на поєднанні методів рентгенівської проекції з радіотехнічними (у тому числі телевізійними) пристроями, що дозволяють отримати додаткове збільшення (10 ¸ 30 *) і прийнятне дозвіл (порядку декількох десятків мікрон). І хоча це надзвичайно далеко від потенційних можливостей рентгенівської мікроскопії, подібні пристрої знаходять застосування в науці і техніці.
Електрони та електронна оптика.
Справжня революція в мікроскопії сталася в 20-х роках нашого століття, коли виникла ідея використовувати в ній потоки частинок - електронів. На основі цієї ідеї виникла і швидко розвинулася нова галузь науки? електронна мікроскопія, яка дозволила здійснити найбільш глибокий прорив в області бачення і вивчення надмалих об'єктів.
Ми звикли до того, що бачення об'єкта, формування його зображення пов'язані з надходженням в прилад (а в кінцевому рахунку в око) світлових хвиль від цього предмета, того, що ми називаємо випромінюванням. Як же можна отримати зображення об'єкта, причому навіть з набагато більш високою роздільною здатністю, використовуючи не світлове випромінювання, а потік електронів? Іншими словами, як можливо бачення предметів на основі використання не хвиль, а частинок?
Забігаючи трохи наперед, скажемо, що електрони проявляють хвильові властивості аж ніяк не в меншій мірі, ніж "справжні", звичні хвилі, наприклад, радіо чи світлові. Але про це нижче ... Разом з тим електрони поводяться як справжні частки, що володіють масою, траєкторією руху, енергією та іншими властивостями, властивими різним предметам. Так в першу чергу ведуть себе електрони в багатьох приладах і пристроях, широко застосовуються не тільки в науці і техніці, але і в побуті ¾ в електронних лампах, кінескопах і інших електронних приладах радіоприймачів і телевізорів.
Сучасна фізика досить докладно знає "анкетні дані" електрона. Це негативно заряджена частинка (e = 4,8 e-10 CGSE) з масою 9,1 e-28 г, але фізики старанно обходять питання, які іноді хочеться поставити надмірно цікавим, наприклад про форму електрона, а про його розміри зазвичай говорять із застереженнями. Звучить ця обмовка приблизно так: "класичний радіус електрона складає ~ 10 -13 см, а в рамках релятивістської теорії це взагалі точкова частка". Якщо не торкатися певної групи ситуацій, в яких електрони ведуть себе не за правилами "здорового глузду" (про це нижче), то це частинки, поведінка яких можна описати і вельми точно розрахувати за законами механіки і теорії електромагнетизму, як і будь-якого іншого об'єкту. Правда, в цих випадках, тобто тоді, коли ще не проявляються закономірності так званої квантової механіки, доводиться враховувати прояв ефектів теорії відносності (релятивістських ефектів) і в першу чергу зростання маси електрона із зростанням швидкості його руху.
У багатьох практичних застосуваннях електронних потоків, наприклад у вакуумних приладах, електрони ведуть себе як цілком "нормальні" частки. Під дією відомої сили, наприклад, створюваної електричним полем між електродами, електрон набуває прискорення, пропорційне силі і обернено пропорційне його масі. Рухомі потоки електронів еквівалентні електричним струмів, тому можуть ефективно взаємодіяти із зовнішніми магнітними полями. Таким чином, електричні і магнітні поля можуть істотно впливати на траєкторії і швидкості електронних потоків, і з допомогою таких полів можна управляти рухом електронів. Наука, що займається знаходженням траєкторій руху електронів в електричних і магнітних полях, а також розрахунком елементів і пристроїв, здатних формувати потрібні поля, називається електронною оптикою (зверніть увагу ¾ електронної оптикою).
Більш докладний аналіз анкетних даних електрона виявляє незвичайність ряду його властивостей. Дійсно, якщо підходити до електрона зі звичайними мірками і вважати, що він займає об'єм V і володіє масою m, то "щільність речовини в електроні" r »(m / V) = (9,1 e-28) / (4 / 3 * p * r 3) »10 11 г / см 3 (!). Тут ми вважаємо електрон кулькою з радіусом r порядку 10 -13 см. Маса, заряд і деякі інші постійні, що характеризують електрони, відомі вже з досить високою точністю. Питання про те, яким чином електрон утримується як ціле і не розлітається під дією сил розштовхування, виходить далеко за рамки цього реферату ¼
Якщо предметів, з якими ми маємо справу в повсякденному житті, досить важко повідомити велику швидкість (наприклад, порядку декількох кілометрів на секунду), то електрон навіть у полі з U = 1В набуває швидкість V = (2 * e / m * U) 0 , 5 »6e7 см / сек. Таким чином, електрони легше розігнати до великих швидкостей, ніж "зупинити", тобто змусити перебувати у спокої. Електрони в звичайній медичній рентгенівській трубці гальмуються у поверхневому шарі антикатода, проходячи при цьому шлях у декілька ангстрем. Негативне прискорення на шляху s (наприклад, при U »100 кв.) При цьому буде дуже велике:
w »(v 2) / (2 * s)» 10 23 см / сек 2 (!).
Нарешті, зазначимо, що, як правило, в наших приладах для їх нормальної роботи потрібен електронний потік, що містить значне число часток (наприклад, за електронною току в 1A відповідає потік електронів в 19 жовтень частинок в секунду!).
Отже, становище з електронами виглядає своєрідно:
є об'єкт, яким ми вміємо керувати і властивості якого навчилися використовувати;
ми досить добре знаємо властивості цього об'єкта і навчилися проводити вимірювання навіть точніше, ніж для багатьох інших об'єктів, з якими зустрічаємося в повсякденному житті і які можемо бачити неозброєним оком;
ніхто ніколи не бачив електронів, але всі знайомі з результатами його дій;
з точки зору "здорового глузду" і на основі зіставлення результатів дуже добре поставлених експериментів електрон є далеко не тривіальним об'єктом: щільність електронного речовини фантастично велика, він є понад міцним об'єктом, здатним "протистояти" дії надвеликих інерційних і електричних (кулонівських) сил.
Електрони ¾ хвилі!?
Нічого дивуватися, що такий "дивна особистість", якою є електрон, поводиться вже зовсім незвично в ряді ситуацій. Ці ситуації виявляються, по-перше, тоді, коли електронів багато чи вірніше, коли їх багато в одиниці об'єму і, по-друге, коли електрони взаємодіють з атомами й молекулами речовини. Ці та ряд інших ситуацій характерні для явищ, що розглядаються квантовою механікою. З цієї дивовижної області ми згадаємо тільки те, що в ряді ситуацій електрон поводить себе як хвиля. Що це означає?
Ми знаємо, що, наприклад, світлові хвилі при взаємодії з просторовою періодичною структурою зазнають дифракцію. Точно так само при дотриманні певних умов хвилі можуть інтерферувати. Аналогічні властивості спостерігаються у електронів. Так, наприклад, в певних умовах електронний потік, який взаємодіє з періодичною просторової структурою кристала, утворює дифракційну картину, яку можна зафіксувати на фотопластинці. Відомо велика кількість фактів, коли електрони проявляють хвильові властивості. Більш того, радянські вчені В. Фабрикант, Л. Біберман і Н. Сушкін продемонстрували хвильові властивості окремих електронів!
Отже, анкетні дані електрона виглядають дивно і незвично.
Не вдаючись у тонкощі питання про хвильових властивості електронів (як і інших мікрочастинок!), Скажімо, що електрону, який рухається зі швидкістю v (см / сек), відповідає довжина хвилі l = h / (m * v), де m ¾ маса електрона , а h = 6,6 e-27 ерг * сек ¾ знаменита константа Планка.
Так як v = (2 * e / m * U), то l = (12,25 / U 0,5) A °; тут U виражено в кіловольт.
Так, наприклад, при U = 100 кв. l = 0,037 A °. Таким чином, якщо використовувати електрони в мікроскопії, то дифракційну межу, обумовлений хвильовими властивостями електронів, лежить значно далі, ніж в оптичній мікроскопії. А так як електронами можна керувати за допомогою електричних і магнітних полів, то електронна оптика дозволяє нам заздалегідь розраховувати такі системи формування цих полів, які здатні фокусувати потоки електронів, управляти електронними променями і здійснювати інші необхідні дії.
У нашому розпорядженні також є люмінесцентні екрани, які світяться при попаданні на їх поверхню електронів (згадаймо роботу кінескопа в телевізорі!); При попаданні електронів на фотопластинку відбувається фотолітіческое почорніння. Існують і інші способи реєстрації електронів. Нагадаємо, що електрони здатні, крім того, проникати крізь тонкі шари матеріалів, відбиватися і розсіюватися матеріалами. Ці властивості електронів і їх взаємодії з полями і досліджуваним речовиною лежать в основі електронної мікроскопії. Розглянемо схеми та особливості пристрої електронних мікроскопів.
Пристрій електронного мікроскопа.
Як же влаштований електронний мікроскоп? У чому його відмінність від оптичного мікроскопа, чи існує між ними якась аналогія?
В основі роботи електронного мікроскопа (загальний вигляд його наведено на рис. 3) лежить властивість неоднорідних електричних і магнітних полів, що володіють обертальної симетрією, надавати на електронні пучки фокусує дію. Таким чином, роль лінз в електронному мікроскопі грає сукупність відповідним чином розрахованих електричних і магнітних полів; відповідні пристрої, що створюють ці поля, називають "електронними лінзами". Залежно від виду електронних лінз електронні мікроскопи діляться на магнітні, електростатичні і комбіновані.
Рис. 3. Електронний мікроскоп EM8 фірми АЕС-Цейсс.
Якого ж типу об'єкти можуть бути досліджені за допомогою електронного мікроскопа? Так само як і у випадку оптичного мікроскопа об'єкти, по-перше, можуть бути "самосветящіеся", тобто служити джерелом електронів. Це, наприклад, розжарений катод або освітлюваний фотоелектронний катод. По-друге, можуть бути використані об'єкти, "прозорі" для електронів, що володіють певною швидкістю. Іншими словами, при роботі на просвіт об'єкти повинні бути достатньо тонкими, а електрони досить швидкими, щоб вони проходили крізь об'єкти і надходили в систему електронних лінз. Крім того, шляхом використання відображених електронних променів можуть бути вивчені поверхні масивних об'єктів (в основному металів і металізованих зразків). Такий спосіб спостереження аналогічний методам відбивної оптичної мікроскопії.
За характером дослідження об'єктів електронні мікроскопи поділяють на просвічують, відбивні, емісійні, растрові, тіньові і дзеркальні.
Найбільш поширеними в даний час є електромагнітні мікроскопи просвічує типу, в яких зображення створюється електронами, що проходять крізь об'єкт спостереження. Пристрій такого мікроскопа показано на рис. 4 (ліворуч для порівняння показано пристрій оптичного мікроскопа). Він складається з наступних основних вузлів: освітлювальної системи, камери об'єкта, що фокусує системи та блоку реєстрації кінцевого зображення, що складається з фотокамери і флуоресціюючого екрану. Всі ці вузли з'єднані один з одним, утворюючи так звану колону мікроскопа, всередині якої підтримується тиск ~ 10 -4 ¾ 10 -5 мм рт. ст. Освітлювальна система зазвичай складається з трьохелектродної електронної гармати (катод, що фокусує електрод, анод) і конденсорной лінзи (тут і далі мова йде про електронні лінзах). Вона формує пучок швидких електронів потрібного перетину і інтенсивності і направляє його на досліджуваний об'єкт, що знаходиться в камері об'єктів. Пучок електронів, що пройшов крізь об'єкт, надходить в фокусуючу (проекційну) систему, що складається з об'єктивної лінзи і однієї або декількох проекційних лінз.
Рис. 4. Схеми пристроїв оптичного мікроскопа (а) і електронного мікроскопа просвічує типу (б):
1 ¾ джерело світла (електронів);
2 ¾ конденсорная лінза;
3 ¾ об'єкт;
4 ¾ об'єктивна лінза;
5 ¾ проміжне зображення;
6 ¾ проекційна лінза;
7 ¾ кінцеве зображення.
Об'єктивна лінза призначена для отримання збільшеного електронного зображення (зазвичай збільшення ~ 100 *). Часто це збільшене зображення називають проміжним. Для його спостереження в площині зображень об'єктивної лінзи мають у своєму розпорядженні спеціальний екран. Цей екран, покритий люмінесцирующих речовиною (люмінофором), аналогічний екрану в кінескопах, перетворює електронне зображення у видиме.
Частина електронів з числа потрапляють на екран необхідно направляти в проекційну лінзу для формування кінцевого електронного зображення; з цією метою в центрі екрану зроблено круглий отвір. Потік електронів, що пройшли крізь отвір, перед вступом до проекційну лінзу діафрагміруется. У більш складних мікроскопах використовуються дві електронні лінзи. У цих випадках першу з лінз називають проміжної; вона формує другу проміжне зображення. Друга ж проекційна лінза формує кінцеве електронне зображення, яке фіксується в блоці реєстрації. Результат електронно-мікроскопічного дослідження може бути отриманий або у вигляді розподілу щільності почорніння фотографічної пластинки, або у вигляді розподілу яркостей світіння люмінесцентного екрана.
Освіта зображення в просвечивающем електронному мікроскопі пов'язане головним чином з різним ступенем розсіювання електронів різними ділянками досліджуваного зразка і в меншій мірі з різницею в поглинанні електронів цими ділянками. У залежності від ступеня розсіювання електронів ділянками зразка через так звану апертурной діафрагму, вміщену перед об'єктивною лінзою, проходить більше чи менше число електронів (діафрагма пропускає лише ті електрони, кути розсіювання яких не дуже великі). Контрастність одержуваного зображення визначається відношенням числа пройшли через діафрагму електронів до загальної кількості електронів, розсіяних даними мікроділянки зразка.
Максимальне збільшення такого мікроскопа визначається величинами фокусних відстаней об'єктивної та проекційної лінз і відстанню між об'єктом спостереження і площиною кінцевого зображення. Для просвічує мікроскопа з одного проекційної лінзою ця залежність виражається наступною простою формулою:
M = L 2 / (4 * f1 * f2),
де L ¾ відстань між об'єктом і площиною зображення; f1 і f2 ¾ відповідно фокусні відстані об'єктивної та проекційної лінз.
З формули видно, що для досягнення великих збільшень доцільно використовувати короткофокусні лінзи і розташовувати їх на великій відстані один від одного, що відповідає великим значенням величини L. Зауважимо, що в цьому відношенні електронний мікроскоп аналогічний оптичному.
Реально в сучасних електронних мікроскопах L не перевищує 1 ¾ 2 м, а величини f1 і f2 становлять близько 1,5 ¾ 2 мм. Неважко підрахувати, що в цьому випадку Mмакс = 20000 ¸ 40000. Однак для електронного мікроскопа є сенс домагатися подальшого підвищення збільшення ще на порядок, оскільки максимальне корисне збільшення його, обумовлений ставленням роздільної здатності людського ока (~ 0,2 мм) на відстані найкращого зору до роздільної здатності електронного мікроскопа, складає близько 400000.
Хоча, як ми бачили, теоретична роздільна здатність в електронній мікроскопії, яка обмежена дифракційним межею, при використанні ускоряющего напруги порядку 100 кв становить 0,037 А °, реально досяжний дозвіл в силу ряду причин, про які йтиметься нижче, виявляється істотно менше цієї величини. У сучасних електронних мікроскопах гарантується дозвіл складає 4,5 ¾ 5,0 А °. Величина максимального корисного збільшення (400 000 *) відповідає роздільній здатності в 5,0 А °. Для досягнення настільки великого збільшення в електронних мікроскопах зазвичай використовуються проміжні лінзи невеликого збільшення.
Об'єкти електронної мікроскопії.
Тепер подивимося, які об'єкти можемо ми спостерігати і досліджувати з допомогою, що володіє роздільною здатністю порядку декількох ангстрем, тобто порядку 10 -10 м. Дуже небагато говорить ця цифра, так як число з десятьма нулями уявити не дуже просто. Чому цю величину слід вважати малою і навіть надмалій? У порівнянні з чим? У старому підручнику фізики Цінгера була фраза, зміст якої зводився до наступного: "Якщо кравець помилиться в довжині вашого плаття на один сантиметр, ви навряд чи це помітите, але якщо складач змістить літери на один сантиметр ¾ це кожен відразу помітить". Величина 10 -10 м дуже мала, якщо її порівнювати з розмірами предметів у нашій кімнаті. Це також дуже мала величина в порівнянні з розмірами тих речей, тих об'єктів, які ми можемо взяти руками, можемо доторкнутися. Всі ці предмети складаються з величезного числа атомів і молекул. Величина ж 10 -10 м порівнянна з розмірами окремих атомів і молекул. Таким чином, навчившись бачити і спілкуватися з такими величинами, ми отримуємо можливість "працювати" з окремими атомами й молекулами речовини або принаймні з об'єктами, в яких не дуже багато атомів. Сучасні електронні мікроскопи дозволяють спостерігати і вивчати великі органічні молекули.
Отже, зробивши "прорив" у засобах спостереження в область розмірів порядку 10 -9 ¸ 10 -10 м, ми в порівнянні з метром ¾ величиною, порівнянної з довжиною кроку, здійснюємо стрибок в мільярди (10 9) разів. Звернемо увагу, що відстань від Землі до окраїнних об'єктів Сонячної системи ~ 6e9 км, який світло (його швидкість 300000 км / сек) проходить приблизно за 6 год, в порівнянні з лінійними розмірами міста (~ 10 км), виявляється більше в 6e8 разів.
Але добре, що ж можна дізнатися нового, проникнувши в галузь над малих розмірів, що відкриваються електронною мікроскопією? Чи не становить собою цей світ атомів і молекул щось, у якому відсутні не тільки фарби і звуки, а й взагалі будь-які ознаки різноманітності, життя і краси? Виявляється не потрібно навіть мати багатою уявою, щоб побачити своєрідну красу світу понад малих об'єктів і захопитися нею. Подивіться на рис. 5, і ви в цьому переконаєтеся.
Рис. 5. Кристал K2PtCl4, виражений на плівці з водного розчину.
На рівні розмірів, дозволеної сучасної електронної мікроскопії, розгортаються події, які грають у кінцевому підсумку винятково важливу роль в житті людини, природі і техніці. Перш за все біологія. Живі клітини є складні структурні утворення; в них протікають складні, вивчені лише частково біохімічні процеси. Хід цих процесів визначає життєдіяльність клітин, їх взаємозв'язок і в кінцевому підсумку життєдіяльність організмів.
У цьому світі нашому погляду відкриваються раніше не відомі нам населяють його "мешканці", їх дії і традиції, взаємини між собою, їх дружба і маленькі трагедії, які в кінцевому підсумку призводять до подій, що грає найважливішу роль в масштабах природи і людства. Тут на молекулярному рівні зберігається найбільша таємниця ¾ таємниця життя, її вічного відтворення та вдосконалення. Тут же заховані такі фактори, як причини хвороб і смерті, або переривають життя, або роблять її трагічної; віруси багатьох грізних хвороб "легких", таких, як грип, і страшних - таких, як чума; складні молекулярні структури ¾ молекули ДНК, РНК , що зберігають віковічний код життя, відтворюють і здійснюють це життя, ¾ належать до цього світу.
Багато властивостей матеріалів, які є основою сучасної техніки і використовуються в повсякденному житті людини та суспільства в цілому, визначаються властивостями мікроструктур речовини, також відносяться до цього світу.
Таким чином, світ, який відкривають нам методи електронної мікроскопії, не тільки різноманітний і за своїм барвистий, але і відіграє надзвичайно важливу роль у житті природи і людства.
Види електронних мікроскопів.
Різноманіття явищ, які потребують вивчення за допомогою електронної мікроскопії, визначає різноманітність і специфіку її методів та відповідних пристроїв. Ми вже знайомі з принципом дії просвічує електронного мікроскопа. З його допомогою можна досліджувати тонкі зразки, пропускають падаюче на них пучок електронів.
У ряді випадків і в першу чергу для дослідження масивних об'єктів застосовуються електронні мікроскопи інших типів.
Емісійний електронний мікроскоп формує зображення за допомогою електронів, що випускаються самим об'єктом. Таке випускання досягається шляхом нагрівання об'єкта (термоелектронна емісія), висвітлення його (фотоелектронна емісія), бомбардування електронами або іонами (вторинна електронна емісія), а також приміщенням його в сильне електричне поле (автоелектронна емісія). Збільшене зображення формується подібно до того, як це робиться в мікроскопі просвічує типу. Освіта зображення в емісійному електронному мікроскопі відбувається в основному за рахунок різного випускання електронів мікроділянки об'єкта. При емісійних дослідженнях об'єктів роздільна здатність мікроскопів складає ~ 300А °.
Емісійна електронна мікроскопія знайшла широке застосування в дослідженнях і розробках катодів електровакуумних приладів різного, в тому числі радіолокаційного застосування, а також у фізичних дослідженнях металів і напівпровідників.
У відбивних електронному мікроскопі зображення створюється за допомогою електронів, відбитих (розсіяних) поверхневим шаром об'єкта. Освіта зображення в ньому обумовлено розходженням розсіяння електронів у різних точках об'єкта в залежності від матеріалу і мікрорельєфу. Зазвичай зразки виходять під малим кутом (приблизно кілька градусів) до поверхні. Практично на електронних мікроскопах такого типу досягнуто дозвіл порядку 100 ангстрем.
Одна з особливостей відбивного електронного мікроскопа - відмінність збільшень в різних напрямків вздовж площини об'єкту пов'язане з похилим становищем об'єкта по відношенню до оптичної осі мікроскопа. Тому збільшення такого мікроскопа характеризують зазвичай двома величинами: збільшенням в площині падіння пучка електронів і збільшенням у площині, перпендикулярній площині падіння.
Растровий електронний мікроскоп заснований на використанні попередньо сформованого тонкого електронного променя (зонду), положенням якого керують за допомогою електромагнітних полів. Це управління (сканування) багато в чому аналогічно процесу розгорнення в телевізійних кінескопах. Електронний зонд послідовно проходить по поверхні досліджуваного зразка. Під впливом електронів пучка відбувається ряд процесів, характерних для даного матеріалу і його структури. До їх числа відносяться розсіювання первинних електронів, випущення (емісія) вторинних електронів, поява електронів, що пройшли крізь об'єкт (у випадку тонких об'єктів), виникнення рентгенівського випромінювання. У ряді спеціальних випадків (люмінесцирующие матеріали, напівпровідники) виникає також світлове випромінювання. Реєстрація електронів, що виходять з об'єкту, а також інших видів випромінювання (рентгенівського, світлового) дає інформацію про різні властивості мікроділянки досліджуваного об'єкта. Відповідно до цього системи індикації та інші елементи растрових мікроскопів різняться в залежності від виду реєстрованого випромінювання.
Синхронно з розгорткою електронного зонда здійснюється розгортка променя великого кінескопа. Розглянемо роботу растрового електронного мікроскопа в режимі індикації струму вторинних електронів. У цьому випадку величина вторинного електронного струму визначає глибину модуляції яскравості на екрані кінескопа. Растровий електронний мікроскоп такого типу дозволяє отримати збільшення 100 ¸ 100 000 при достатньої контрастності зображення. Роздільна здатність растрових електронних мікроскопів визначається діаметром електронного зонда і у випадку одержання зображення в електронних променях складає ~ 300À °. Растрові електронні мікроскопи дозволяють вивчати, наприклад, так звані pn переходи в напівпровідниках.
З електронних мікроскопів згадаємо дзеркальний електронний мікроскоп, основною особливістю якого є чутливість до мікроскопічних електричним і магнітним полями на відбиває масивному об'єкті. При цьому досягається дозвіл деталей порядку 1000А ° і збільшення майже у 2000 *. Робота такого мікроскопа заснована на дії мікроскопічних електричних і магнітних полів на електронний потік. Дзеркальний електронний мікроскоп дозволяє вивчати, наприклад, доменну структуру феромагнітних матеріалів, структуру сегнетоелектриків.
У тіньовому електронному мікроскопі, так само як і в растровому, формується електронний зонд, однак становище його залишається незмінним. Електронні промені зонда служать для отримання збільшеного тіньового зображення об'єкта, поміщеного в безпосередній близькості від зонда. Освіта зображення обумовлено розсіюванням і поглинанням електронів різними ділянками об'єкта. Слід зазначити, що інтенсивність кінцевого зображення в тіньовому електронному мікроскопі незначна, тому звичайно в них використовуються підсилювачі світла типу електронно-оптичних перетворювачів.
Важливим різновидом електронних мікроскопів растрового типу є мікрорентгеноспектрального аналізатор. Прилад заснований на порушенні так званого характеристичного рентгенівського випромінювання атомів малого ділянки поверхні - зразка за допомогою тонкого високошвидкісного електронного зонда. Електронний зонд за допомогою системи розгортки оббігає досліджувану поверхню. При гальмуванні електронів на поверхні виникає поряд з так званим гальмівним випромінюванням характеристичне рентгенівське випромінювання, властивості якого істотно визначаються будовою електронних оболонок в атомах речовини. Це випромінювання зобов'язана своїм виникненням енергетичним переходом між глибокими енергетичними рівнями атомів.
Виникає характеристичне випромінювання реєструється за допомогою рентгеноспектральний апаратури. Діаметр електронного зонда може змінюватися від 360 до 0,5 мкм, а розмір переглядається площадки становить собою квадрат зі стороною 360, 180, 90 або 45 мкм. В одному з приладів такого типу швидкість аналізу по одному хімічному елементу відповідає руху зонда 8 або 96 мкм / хв (при механічному переміщенні об'єкта). Аналізувати можна всі елементи періодичної системи елементів Менделєєва, легень (від атомного номера 11 - натрію). Мінімальний об'єм речовини, що піддається кількісному аналізу, становить 0,1 мкг. За допомогою мікрорентгеновского аналізатора отримують розподіл фізико-хімічного складу вздовж досліджуваної поверхні.
У СРСР серійно випускається (випускався) мікрорентгеновскій аналізатор типу МАР-1 (діаметр зонда близько 1 мкм, найменша аналізована площа 1мкм 2). Прилади такого виду знаходять застосування в електронній промисловості і в інших галузях науки і техніки.
Читач, мабуть, звернув увагу на той факт, що в електронних мікроскопах не досягається роздільна здатність, передбачає теорія. У чому ж справа? Згадаймо, що у формуванні зображення в електронних мікроскопах важливу роль грають елементи електронної оптики, що дозволяють здійснювати управління електронними пучками. Цим елементам - електронним лінзам властиві різного роду відхилення від ідеального (необхідного розрахунком) розподілу електричних і магнітних полів. Становище тут багато в чому аналогічно обмеженням в оптичній мікроскопії, пов'язаних з неточністю виготовлення оптичних лінз, дзеркал і інших елементів. Крім того, ряд труднощів пов'язаний з особливостями виготовлення і роботи джерел електронних потоків (катодів), а також з проблемою створення потоків, в яких електрони мало відрізняються за швидкостями. Відповідно з цими фактами, що діють в реальних умовах, розрізняють певні види спотворень в електронних мікроскопах, використовуючи при цьому термінологію, запозичену з світловий оптики.
Основними видами перекручення електронних лінз у просвічують мікроскопах є сферична і хроматична аберації, а також дифракція і пріосевой астигматизм. Не зупиняючись на походженні різних видів спотворень, пов'язаних з порушеннями симетрії полів і взаємним розташуванням елементів електронної оптики, згадаємо лише про хроматичної аберації. Останній вид перекручувань аналогічний виникнення забарвлених зображень у простих біноклях і лупах. Використання спектрально чистого монохроматичного світла в оптиці (замість білого) усуває цей вид спотворень. Аналогічно цьому в електронній мікроскопії використовують по можливості пучки електронів, швидкості яких відрізняються мало (згадаємо співвідношення l = h / (m * v) äëÿ ýëåêòðîíà!). Цього досягають застосуванням високостабільних джерел електричного живлення.
Близьким "родичем" електронного мікроскопа є Електронограф ¾ прилад, який використовує явище дифракції електронів, тієї самої дифракції, яка свого часу підтвердила наявність хвильових властивостей у електронів і ставить у наші дні межа дозволу в електронному мікроскопі. У випадку електронів об'єктами, в яких може відбуватися дифракція на періодичній структурі (аналогічної об'ємної дифракційної решітці в оптиці), служать кристалічні структури. Відомо, що в кристалах атоми розташовані в строгому геометричному порядку на відстанях порядку одиниць ангстрем. Особливо правильно це розташування в так званих монокристалах. При взаємодії електронів з такими структурами виникає розсіювання електронів в переважних напрямках відповідно до передбачає теорія співвідношеннями. Реєструючи розсіяні електрони (наприклад, фотографуючи їх), можна одержувати інформацію про атомну структуру речовини. У сучасних умовах Електронографія широко застосовується при дослідженнях не тільки твердих, а й рідких, газоподібних тіл. Про вигляді одержуваних електронограмма можна судити по фотографіях (див. рис.6).
Рис. 6. Електорнограмма високого дозволу (окис цинку):
вгорі ¾ електронограмма; внизу ¾ збільшене зображення ділянки А.
У нашій країні і за кордоном застосовуються спеціалізовані електронографа промислового типу. Крім того, в деяких електронних мікроскопах передбачена можливість роботи в режимі електронографії.
Слід зауважити, що з точки зору фізики отримання електронограмма являє собою процес, багато в чому близький процесу отримання рентгенограм у рентгеноструктурному аналізі. Дійсно, якщо в електрографії використовується дифракція електронів, то в рентгеноструктурному аналізі відбувається дифракція рентгенівських променів на атомних структурах. Природно, що кожен з цих методів має свою сферу застосування.
Особливості роботи з електронним мікроскопом.
Зупинимося коротко на основних прийомах роботи в електронній мікроскопії. Природно, що ці прийоми своєрідні, враховуючи надмалі розміри об'єктів, які підлягають дослідженню. Так, наприклад, в біологічних дослідженнях знаходять застосування "надтонкі ножі" - мікротоми, що дозволяють отримувати зрізи біологічних об'єктів товщиною менше 1 мкм.
Головні особливості методики електронної мікроскопії визначаються необхідністю приміщення об'єкта дослідження всередину колони електронного мікроскопа, тобто у вакуум і забезпечення умов високої чистоти, так як найменші забруднення можуть істотно спотворити результати. Для просвічує електронного мікроскопа об'єкт готується у вигляді тонких плівок, у якості яких можуть служити різного роду лаки, плівки металів і напівпровідників, ультратонкі зрізи біологічних препаратів. Крім того, об'єктами дослідження можуть бути тонко подрібнені (дисперговані) сукупності частинок. Зазвичай в просвічують мікроскопах, що працюють при напругах 50-100 кв, товщина об'єктів не може перевищувати 200 А ° (для неорганічних речовин) і 1000 А ° (для органічних). Біологічні об'єкти в більшості випадків доводиться контрастувати, тобто "Фарбувати" (солями важких металів), відтіняти напилюванням металів (платиною, паладієм і ін) і використовувати ряд інших прийомів. Необхідність контрастування викликана тим, що більшість біологічних об'єктів містить атоми легких елементів (з малим атомним номером) - водень, вуглець, азот, кисень, фосфор і т.д. в той же час товщина об'єктів, цікавих для біології та медицини, складає величину порядку 50 А °. Без контрастування при електронно-мікроскопічних дослідженнях вірусів спостерігаються безструктурні плями, а окремі молекули нуклеїнових кислот взагалі невиразні. Використання методів контрастування дозволяє ефективно застосувати електронну мікроскопію в біологічних дослідженнях і в тому числі при дослідженнях великих молекул (макромолекул) ¾ див., наприклад, рис. 7.
Рис. 7. РНК з вірусу тютюнової мозаїки (з розчину з іонною силою 0,0003 мкм).
У ряді випадків при дослідженні, наприклад масивних об'єктів в техніці широке застосування знаходить метод отримання відбитків, який полягає у виготовленні і подальшому дослідженні в мікроскопі копій поверхонь об'єктів.
Використовуються як природні відбитки (тонкі шари окислів), так і штучні, одержувані шляхом нанесення (напилення, осадження) плівок кварцу, вуглецю та інших речовин. Найбільша роздільність (~ 10 А °) дозволяють отримати вугільні репліки, які знаходять широке застосування як в техніці, так і в біології.
При спостереженні електронно-мікроскопічними методами вологих об'єктів (у тому числі живих клітин) використовуються вакуумно-ізольовані газові мікрокамери. Об'єкти дослідження поміщаються в електронних мікроскопах на найтонші плівки - підкладки, які кріпляться на спеціальних сітках, виготовлених зазвичай з міді електролітичним способом. Ці плівки повинні задовольняти цілому ряду вимог, оскільки відносно велика товщина їх, а також сильне розсіювання ними електронів призводить до різкого погіршення якості зображення об'єкта. Крім того, матеріал таких плівок повинен володіти хорошою теплопровідністю і високою стійкістю до електронної бомбардуванню.
До речі, про електронну бомбардуванню об'єкта дослідження та її наслідки. При попаданні електронів на об'єкт вони виділяють енергію, приблизно рівну кінетичної енергії їх руху. У результаті можуть відбуватися місцевий розігрів і руйнування ділянок об'єкта.
Електронний мікроскоп часто використовується для мікрохімічного аналізу досліджуваного речовини згідно з методом, запропонованим М. І. Землянова і Ю. М. Кушніром. По суті цей метод аналогічний методу мікрохімічного аналізу за допомогою оптичного мікроскопа. У даному випадку електронний мікроскоп використовується в якості пристрою, здатного виявити малі кількості шуканого речовини (за формою і структурою кристалів і т.п.). на поверхню водного розчину, в якому передбачається наявність шуканих іонів, наноситься крапля 1 - 1,5% розчину нітроклетчаткі в амілацетат. Крапля розтікається по поверхні рідини і утворює коллодіевую плівку, на яку наноситься крапля реагенту. Іони реагенту проникають (дифундують) крізь плівку і, взаємодіючи з розчином, утворюють на поверхні плівки кристали, які містять іони, що підлягають виявленню. Після спеціального очищення шматочок плівки з кристалами поміщається в електронний мікроскоп, і на основі вивчення цих кристаликів виявляється можливим дати відповідь про наявність шуканих іонів, а в ряді випадків - і про їх концентрації. Такий метод мікрохімічного аналізу характеризується високою чутливістю (на 2 - 3 порядку більшою у порівнянні з іншими способами). Наприклад, іони марганцю можуть бути виявлені в розчині з концентрацією не нижче 10 -11 нормального розчину при утриманні іона 10 -11 г (за даними А. М. Решетнікова).
Шляхи подолання дифракційного межі електронної мікроскопії.
До теперішнього часу електронна мікроскопія досягла великих успіхів і знайшла численні застосування. Проте у ряді випадків, про які коротко було сказано вище, було б надзвичайно бажаним домогтися подальшого прогресу в електронній мікроскопії. Це в першу чергу відноситься до проблеми досягнення більшої роздільної здатності.
На шляху рішення цієї наріжної завдання стоять надзвичайно серйозні технічні труднощі, пов'язані з проблемами створення електронних лінз, їх взаємного розташування формування одношвидкісних електронних потоків. Сукупність цих чинників призводить в кінцевому підсумку до різного роду спотворень, що відіграє важливу роль при великих збільшеннях і що призводить до того, що практично досягається дозвіл виявляється гіршою граничного.
У міру наближення електронної мікроскопії до своїх граничних можливостей дедалі важче і важче стає вносити до неї подальші удосконалення.
Самі останні досягнення в електронній мікроскопії засновані на застосуванні нових високовольтних (V = 100 кв) і сверхвисоковакуумних (вакуум 2e-10 мм рт. Ст.) Приладів. Високовольтна електронна мікроскопія, як показує досвід, дозволяє зменшити хроматичну аберацію електронних лінз. У пресі повідомляється, наприклад, про те, що за допомогою нового японського мікроскопа SMH-5 можуть бути отримані фотографії решіток з міжплощинні відстані ~ 1 А °. Повідомляється також, що на новому електронному мікроскопі з пришвидшує напругою 750 кв отримано дозвіл, рівне 3 А °.
Розглядаються можливості застосування в електронній мікроскопії лінз з надпровідних сплавів (наприклад Hi ¾ Zn), які дозволять отримати високі оптичні властивості електронних систем і виняткову стабільність полів. Очікується, що використання спеціальних лінз-фільтрів дозволить отримати нові результати в відбивної електронної мікроскопії. При використанні таких лінз у просвечивающем електронному мікроскопі вдалося істотно поліпшити їх роздільну здатність.
У растрових електронних мікроскопах просвічує типу до теперішнього часу досягнута роздільна здатність в 100 А °. Новий емісійний мікроскоп дозволяє отримувати дозволи деталей з розмірами від 120 (для фотоемісія) до 270 А ° (для вторинної емісії).
Викликає інтерес повідомлення про те, що голландська фірма Philips вносить низку удосконалень у мікроскоп типу EM-300, які дозволять довести практичну роздільну здатність до теоретичної межі (!). Щоправда, про суть цих удосконалень поки не повідомляється.
Важливість проблеми поліпшення роздільної здатності в електронній мікроскопії, наближення її до теоретичної межі стимулювала проведення цілого ряду досліджень у цій області. З численних пропозицій та ідей, часто дотепних і дуже перспективних, зупинимося на ідеях, висловлених англійським фізиком Габором, що отримали в останні роки широкий розвиток в оптиці, радіофізиці, акустиці, особливо у зв'язку зі створенням оптичних квантових генераторів (лазерів). Мова йде про так звану голографії, про яку відомо зараз не лише фахівцям, але і всім тим, хто цікавиться новітніми досягненнями фізики. Разом з тим не всі, напевно, знають, що перші роботи Габора по голографії, проведені ще в "долазерний" період (1948-1951), були поставлені та виконані саме у зв'язку із завданням підвищення роздільної здатності в електронній мікроскопії.
Сутність запропонованого методу зводилася до наступного. Монохроматичний потік електронів, тобто потік, що містить електрони з однаковими швидкостями, висвітлює об'єкт дослідження (за схемою просвічує або тіньового мікроскопа). При цьому відбувається дифракція електронів на об'єкті (згадаймо хвильові властивості електронів!). Зазвичай в електронному мікроскопі пучок, хто витерпить дифракцію на об'єкті, надходить у систему електронних лінз, які формують зображення і забезпечують потрібне велике збільшення. Однак ці ж лінзи, як ми вже відзначали, є джерелами важко усунених спотворень, що перешкоджають досягненню теоретичного дозволу. У новому методі пропонувалося фіксувати результат дифракції електронів фотографічно у вигляді дифракційної картини і піддавати цю картину подальшій обробці за допомогою оптичних методів, де отримання потрібних підсилень може бути досягнуто з меншими спотвореннями. У такому Двоступінчастому процесі отримання зображень основне збільшення досягається за рахунок переходу від "електронних" довжин хвиль до оптичних. При цьому слід зазначити, що оброблювана оптичними методами картина дифракції практично не має подібності з об'єктом дослідження. Однак за допомогою світлового випромінювання (видимого) по цій картині в нескладному оптичному пристрої можна відновити зображення досліджуваного об'єкта. Для цього джерело випромінювання повинен посилати монохроматичні когерентні хвилі, тобто повинен володіти тими властивостями, які так яскраво проявляються в оптичних квантових генераторів.
Зауважимо, що, образно кажучи, в цьому Двоступінчастому процесі ми фіксуємо, "заморожуємо" фронт електронних хвиль і потім відтворюємо його знову у вигляді фронту світлової хвилі в значно більшому масштабі, використовуючи при цьому відмінність довжин хвиль світла і електронів (це співвідношення, наприклад, може бути порядку 6000А ° / 0,030 А ° »200000).
У такому "безлинзовий", а тому і не вносить спотворень збільшенні і полягає основна перевага методу голографії в електронній мікроскопії.
До числа нових напрямків слід також віднести область мікроскопії, що використовує замість електронів інші види мікрочастинок, важких в порівнянні з електронами. У цьому випадку дифракційну межу, передбачає теорія, зміщений у більш далеку область малих розмірів. Прикладом такого напрямку мікроскопії є розвивається автоіонная мікроскопія.
У автоіонних мікроскопах, використовуваних при дослідженні фізики поверхневих явищ, головним чином у металах, виявляється можливим бачення окремих атомів. Методика автоіонной мікроскопії вельми своєрідна; ця область зазнає бурхливий розвиток.
Як же далеко ми зможемо ще просунутися по шляху розкриття таємниць мікрооб'єктів? Ми бачимо, що за історично короткий термін, використовуючи новітні досягнення фізики і радіоелектроніки, електронна мікроскопія перетворилася на потужний засіб дослідження природи. Доступне для огляду майбутнє цієї галузі науки пов'язане з реалізацією сміливих проектів створення таких приладів, які дозволять "наблизити" і зробити зримим різноманітний і барвистий мікросвіт. Не всі ще ясно на цьому шляху, на якому постійно виникають все більш і більш складні науково-технічні і технологічні проблеми. Сучасні прилади мікроскопії є незрівнянно більш складними пристроями, ніж мікроскопи недавнього минулого.
Вже зараз ми стикаємося з очевидним фактом: прилади мікроскопії стають все більш складними і громіздкими в міру проникнення раніше недосяжні таємниці світу малих об'єктів. Подальше ускладнення цих приладів, збільшення витрат на їх виготовлення визначаються необхідністю розв'язання нових все більш складних проблем.
Тут доречно провести аналогію з розвитком експериментальної ядерної фізики, де отримання інформації про властивості мікрочастинок речовини, з яких складаються ядра атомів, пов'язано зі створенням складних і, як правило, надзвичайно громіздких і дорогих приладів та установок.
Отримання інформації, яка розкриває таємниці мікросвіту, оплачується високою ціною. Проте відбуваються при цьому витрати інтелектуальних і матеріальних ресурсів, як показує досвід історії науки, безумовно, окупаються тими можливостями, які відкриваються при цьому в техніці, фізиці, хімії, біології та медицині.
Література:
Рукман Г.І. , Клименко І. С. Електронна мікроскопія. М., Знання, 1968. Савельєв І. В. Курс фізики, т.3. М., Наука, 1989.