Скачать

Дифракция электронов. Электронный микроскоп

Государственный комитет

Российской Федерации по высшему образованию.

Кафедра общей физики.

Реферат на тему:

«Дифракция электронов.

Электронный микроскоп».

Факультет: АВТ.

Кафедра: АСУ.

Группа: А-513.

Студент: Борзов Андрей Николаевич.

Преподаватель: Усольцева Нелли Яковлевна.

Дата: 1 декабря 1996 г.

Новосибирск-96.

Содержание:

• Путь микроскопии 3
• Предел микроскопии 5
• Невидимые излучения 7
• Электроны и электронная оптика 9
• Электроны — волны!? 12
• Устройство электронного микроскопа 13
• Объекты электронной микроскопии 15
• Виды электронных микроскопов 17
• Особенности работы с электронным микроскопом 21
• Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии 23
• Список литературы 27
• Рисунки 28

Примечания:

1. Символ ↑ означает возведение в степень. Например, 2↑3 означает «2 в степени 3».
2. Символ e означает запись числа в показательной форме. Например, 2e3 означает «2, умноженное на 10 в 3 степени».
3. Все рисунки находятся на последней странице.
4. Вследствие использования не совсем «свежей» литературы данные в этом реферате не отличаются особой «свежестью».

Глаз не видел бы Солнца,

если бы он не был подобен

Солнцу.

Гёте.

Путь микроскопии.

Когда на пороге XVII столетия был создан первый микроскоп, вряд ли кто-либо (и даже его изобретатель) мог представить будущие успехи и многочисленные области применения микроскопии. Оглядыва­ясь назад, мы убеждаемся, что это изобретение знаменовало собой нечто большее, чем создание нового устройства: впервые человек по­лучил возможность увидеть ранее невидимое.

Примерно к этому же времени относится еще одно событие - изобретение телескопа, позволившее увидеть невидимое в мире пла­нет и звезд. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой революцию не только в способах изучения природы, но и в самом ме­тоде исследования.

Действительно, натурфилософы древности наблюдали природу, узнавая о ней только то, что видел глаз, чувствовала кожа, слышало ухо. Можно лишь удивляться тому, как много правильных сведений об окружающем мире получили они, пользуясь «невооруженными» орга­нами чувств и не ставя специальных экспериментов, как это делают сейчас. Вместе с тем наряду с точными фактами и гениальными до­гадками как много ложных «наблюдений», утверждений и выводов ос­тавили нам ученые древности и средних веков!

Лишь значительно позднее был найден метод изучения при­роды, заключающийся в постановке сознательно планируемых экспе­риментов, целью которых является проверка предположений и четко сформулированных гипотез. Особенности этого метода исследования Фрэнсис Бэкон - один из его создателей - выразил в следующих, став­ших знаменитыми, словах: «Ставить эксперимент - это учинять допрос природе».Самые первые шаги экспериментального метода по совре­менным представлениям были скромны, и в большинстве случаев экс­периментаторы того времени обходились без каких-либо устройств, «усиливающих» органы чувств. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой колоссальное расширение возможностей наблю­дения и эксперимента.

Уже первые наблюдения, проведённые с помощью самой простой и несовершенной по современным представлениям техники, открыли «целый мир в капле воды». Оказалось, что знакомые предметы выгля­дят совсем по-иному, если их рассматривать в микроскоп: гладкие на взгляд и ощупь поверхности оказываются в действительности шерохо­ватыми, в «чистой» воде движутся мириады мельчайших организмов. Точно так же первые астрономические наблюдения с помощью теле­скопов дали возможность человеку по-новому увидеть привычный мир планет и звёзд: например, поверхность Луны, воспетой поэтами всех поколений, оказалась гористой и испещрённой многочисленными кра­терами, а у Венеры была обнаружена смена фаз, как и у Луны.

В дальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизнь само­стоятельным областям науки - микроскопии и наблюдательной ас­трономии. Пройдут годы, и каждая из этих областей разовьется в мно­гочисленные разветвления, выражающиеся в целом ряде самых раз­личных применений в биологии, медицине, технике, химии, физике, на­вигации.

Современные микроскопы, которые в отличие от электронных мы будем называть оптическими, представляют собой совершенные при­боры, позволяющие получать большие увеличения с высокой разре­шающей способностью. Разрешающая способность определяется рас­стоянием, на котором два соседних элемента структуры могут быть ещё видимы раздельно. Однако, как показали исследования, оптиче­ская микроскопия практически достигла принципиального предела своих возможностей из-за дифракции и интерференции - явлений, обусловленных волновой природой света.

Степень монохроматичности и когерентности является важной характеристикой волн любой природы (электромагнитных, звуковых и др.). Монохроматические колебания - это колебания, состоящие из синусоидальных волн одной определённой частоты. Когда мы пред­ставляем колебания в виде простой синусоиды соответственно с по­стоянными амплитудой, частотой и фазой, то это является опреде­лённой идеализацией, так как, строго говоря, в природе не существует колебаний и волн, абсолютно точно описываемых синусоидой. Однако, как показали исследования, реальные колебания и волны могут с большей или меньшей степенью точности приближаться к идеальной синусоиде (обладать большей или меньшей степенью монохроматич­ности). Колебания и волны сложной формы можно представить в виде набора синусоидальных колебаний и волн. По сути дела, эту математи­ческую операцию осуществляет призма, разлагающая в цветной спектр солнечный свет.

Монохроматические волны, в том числе и световые, одной и той же частоты (при определённых условиях!) могут взаимодействовать между собой таким образом, что в результате «свет превратится в темноту» или, как говорят, волны могут интерферировать. При интер­ференции происходят местные «усиления и подавления» волн друг другом. Для того чтобы картина интерференции волн оставалась не­изменной с течением времени (например, при рассматривании её гла­зом или фотографировании), необходимо, чтобы волны были между собой когерентны (две волны когерентны между собой, если они дают устойчивую картину интерференции, чему соответствуют равенства их частот и неизменный сдвиг фаз).

Если на пути распространения волн поместить препятствия, то они будут существенно влиять на направление распространения этих волн. Такими препятствиями могут быть края отверстий в экранах, не­прозрачные предметы, а также любые другие виды неоднородностей на пути распространения волн. В частности, неоднородностями могут быть также и прозрачные (для данного излучения) предметы, но отли­чающиеся по коэффициенту преломления, а значит, и по скорости про­хождения волн внутри них. Явление изменения направления распро­странения волн при прохождении их вблизи препятствий называют дифракцией. Обычно дифракция сопровождается интерференцион­ными явлениями.

Предел микроскопии .

Изображение, получаемое при помощи любой оптической сис­темы, есть результат интерференции различных частей световой волны, прошедшей через эту систему. В частности, известно, что огра­ничение световой волны входным зрачком системы (краями линз, зер­кал и диафрагм, составляющих оптическую систему) и связанное с ним явление дифракции приводит к тому, что светящаяся точка будет изо­бражена в виде дифракционного кружка. Это обстоятельство ограни­чивает возможность различать мелкие детали изображения, форми­руемого оптической системой. Изображение, например, бесконечно удалённого источника света (звезды) в результате дифракции на круг­лом зрачке (оправе зрительной трубы), представляет собой довольно сложную картину (см. рис. 1). На этой картине можно увидеть набор концентрических светлых и тёмных колец. Распределение освещённо­стей, которое можно зафиксировать, если двигаться от центра кар­тины к её краям, описывается довольно сложными формулами, кото­рые приводятся в курсах оптики. Однако закономерности, свойствен­ные положению первого (от центра картины) тёмного кольца, выглядят просто. Обозначим через D диаметр входного зрачка оптической сис­темы и через λ длину волны света, посылаемого бесконечно удалён­ным источником.

Рис. 1. Дифракционное изображение светящейся точки (так называемый диск Эйри).

Если обозначить через j угол, под которым виден радиус первого тёмного кольца, то как доказывается в оптике

sin φ ≈ 1,22*(λ/D).

Таким образом, в результате ограничения волнового фронта краями оптической системы (входным зрачком) вместо изображения светящейся точки, соответствующей бесконечно удаленному объекту, мы получаем набор дифракционных колец. Естественно, что это явле­ние ограничивает возможность различения двух близко расположенных точечных источников света. Действительно, в случае двух удаленных источников, например двух звезд, расположенных очень близко друг к другу на небесном своде, в плоскости наблюдения образуются две сис­темы концентрических колец. При определенных условиях они могут перекрываться, и различение источников становится невозможным. Не случайно поэтому в соответствии с «рекомендацией» формулы, приве­денной выше, стремятся строить астрономические телескопы с боль­шими размерами входного зрачка. Предел разрешения, при котором могут наблюдаться два близко расположенных источника света, опре­деляют следующим образом: для определенности в качестве предела разрешения принимают такое положение дифракционных изображений двух точечных источников света, при котором первое тёмное кольцо, создаваемое одним из источников, совпадает с центром светлого пятна, создаваемого другим источником.

Рис. 2. Кривая распределения интенсивности в дифрак­ционной картине от двух точечных источников света.

d - расстояние между центральными максимумами, M - увели­чение оптической системы.

На рис. 2 приведён график, характеризующий распределение ин­тенсивности света при наложении дифракционных картин двух близко расположенных точечных источников света для случая, соответствую­щего критерию Релея. По оси абсцисс отложена величина, пропорцио­нальная расстоянию от центра (см. рис. 1). Сплошная тонкая крива ха­рактеризует распределение интенсивности света, создаваемое пер­вым источником; пунктирная кривая относится ко второму из разре­шаемых источников. Первые максимумы по высоте (т.е. интенсивности) заметно выше последующих, соответствующих интенсивности света в кольцах, удалённых от центра (см. рис. 1). Сплошная толстая кривая характеризует суммарное распределение интенсивности света.

Теория показывает, что в случае разрешения по критерию Релея угол θ, под которым видны два исследуемых источника света, равен:

θ ≈ 0,61*(λ/D). Часто используется величина А, обратная предельному углу θ:

А=(1/θ)=D/(0,61*λ),

носящая название разрешающей силы оптической системы.

Приведённые основные закономерности обусловлены волновой природой света и ограничивают возможность разрешения источников с помощью любых оптических систем, в том числе в астрономии и мик­роскопии. Следует подчеркнуть, что приведённая формула соответст­вует случаю самосветящихся объектов, посылающих некогерентные волны. Как известно, с помощью микроскопов часто рассматривают объекты, освещаемые посторонним источником; это значит, что от­дельные точки объекта рассеивают световые волны, исходящие из од­ной и той же точки источника, и свет, идущий от разных точек объекта, оказывается поэтому в значительной мере когерентным. Определение разрешающей способности микроскопа в случае когерентного освеще­ния, проводимое по методу Аббе, приводит к аналогичному результату (некоторое различие в численных коэффициентах несущественно, по­скольку вообще понятие разрешающей способности несколько ус­ловно).

Предельную разрешающую способность микроскопа часто назы­вают дифракционным пределом, поскольку она определяется явле­ниями дифракции на входном зрачке. Правда, ряд остроумных ухищре­ний позволил «заглянуть» несколько дальше этого предела. Здесь следует упомянуть метод, основанный на применении иммерсионных систем (в котором пространство между предметом и объективом за­полняется специальными средами) и позволяющий повысить разре­шающую способность примерно в 1,5 раза; метод тёмного поля, осно­ванный на явлении рассеяния света на малых частицах и позволяющий регистрировать наличие сверхмалых частиц, когда их размеры лежат за пределом разрешающей способности микроскопа; метод фазового контраста, при помощи которого можно изучать полностью прозрачные объекты.

Невидимые излучения.

Пользуясь современным языком теории информации, можно ска­зать, что за попытку проникнуть за дифракционный предел приходится платить ценой потери информации о деталях изучаемого объекта. Действительно, методы субмикроскопии позволяют лишь судить о на­личии микрообъектов в поле зрения микроскопа, но не об их форме и других деталях.

Весьма заметный качественный скачок в методах микроскопии был сделан физиками, которые стали использовать в микроскопии инфракрасное, ультрафиолетовое и другие невидимые глазом излуче­ния. Применение этих излучений для освещения объектов наблюдения было связано с их способностью поглощать, отражать, пропускать и преломлять падающее на них излучение. Поэтому, вообще говоря, при использовании излучений различных участков спектра эти объекты вы­глядят по-разному. Следовательно, подбирая соответствующее осве­щение, можно получить новую информацию о предмете, так как характеристики поглощения, отражения, пропускания и преломления реальных неорганических и органических веществ зависят от длины волны.

Наряду с этим следует отметить, что использование в микро­скопии ультрафиолетового излучения (более коротковолнового по сравнению с видимым) позволило повысить предел разрешающей спо­собности микроскопа. Это легко понять, если вспомнить, что теорети­ческий предел разрешающей способности пропорционален длине волны источника излучения. Если при λ ≈ 5200 - 5800 A°1 (жёлто-зелё­ная область, где глаз обладает наибольшей чувствительностью) тео­ретический предел разрешающей способности при n=1 (где n - показатель преломления) составляет около 2000 A°, то при использо­вании ультрафиолетового излучения (λ ≈ 3000 A°) теоретический пре­дел разрешающей способности достигает примерно 1200A°. Ясно, что в таких ультрафиолетовых микроскопах используются специальные оптические элементы.

Все приборы, использующие невидимые глазом излучения, со­стоят из осветителя (источника освещения), оптических элементов (линз, зеркал, призм и т. п.), пригодных для работ в данном участке спектра, и элементов, преобразующих «невидимое изображение» в ви­димое. В последнее время стали успешно использовать для получения информации о строении объектов радиоизлучение (миллиметрового и субмиллиметрового), длины волн которого значительно больше длин волн видимого излучения.

Остановимся несколько подробнее на некоторых общих физиче­ских закономерностях, свойственных получению изображения в микро­скопии.

Получение большого увеличения в принципе осуществимо путём использования соответствующих оптических элементов. Однако если предел разрешающей способности прибора уже достигнут и детали изображения нельзя различить, то дальнейшее увеличение исследуе­мого предмета теряет практический смысл. Поэтому существует тер­мин «полезное увеличение микроскопа». С вопросом увеличения связан также и вопрос об искажениях в микроскопе (как и в других оптических приборах). Эти искажения возникают из-за отклонения оптических по­верхностей элементов (линз и т. п.) от идеальной формы, неточного расположения элементов и т. п. Кроме этого, искажения (хроматическая аберрация) возникают и из-за зависимости коэффици­ента преломления материалов, из которых изготавливаются оптиче­ские элементы, от длины волны света (дисперсии света в материалах). Таким образом, мы видим, что «проникнуть глубже» в мир малых объ­ектов путём использования больших увеличений нельзя. И только ис­пользование более коротковолновых излучений, т. е. излучений с меньшими длинами волн, чем у видимого света, должно в принципе привести к повышению разрешающей способности. Тем самым пресло­вутый дифракционный предел может быть «отодвинут», и открывается возможность наблюдения и исследования новых классов невидимых объектов и новых деталей уже известных объектов.

Большие надежды возлагались и возлагаются на диапазон рентгеновских лучей (некогда таинственных X- лучей). Напомним, что рентгеновское излучение, создаваемое в рентгеновских трубках путем разгона электронов электрическим полем и их последующего тормо­жения на положительно заряженном электроде (антикатоде), так же как и видимый свет, является электромагнитным излучением. Оно ха­рактеризуется длинами волн на четыре-пять порядков меньшими, чем у видимого света. Например, в медицинской диагностике применяется рентгеновское излучение с λ≈0,17 - 0,10A°, а при просвечивании мате­риалов (толстые стальные и другие изделия) - с λ ≈ 0,05 A°. Отсюда видно, что использование рентгеновского излучения в обычном опти­ческом микроскопе вместо видимого могло бы дать соответствующее, легко оцениваемое теоретически повышение разрешающей способно­сти прибора.

Воспользуемся формулой для определения предела разрешаю­щей способности прибора d≈(0,61*λ)/(n*sinφ). Для рентгенов­ских лучей коэффициент преломления n среды очень близок к единице. Поэтому, если воспользоваться рентгеновским излучением с λ ≈ 0,1A° (это со­ответствует ускоряющему напряжению около 120 кв.), то дифракцион­ный предел составит приблизительно 0,05A°. Однако на пути реализации такой заманчивой возможности существуют принципиаль­ные трудности, связанные с особенностями рентгеновского излучения и его взаимодействия с веществом. Первая и наиболее существенная трудность заключается в том, что рентгеновские лучи практически не­возможно фокусировать, получать их зеркальное отражение, а также другие явления, лежащие в основе процесса формирования изображе­ний в оптической микроскопии. Для создания линз, призм и других по­добных оптических элементов в этом случае нужны материалы с коэффициентом преломления, большим единицы2. Из-за особенностей взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (мы здесь не будем касаться подробностей этого вопроса) коэффициент преломления их практически во всех материалах близок к единице, а точнее - не­сколько меньше единицы. Даже лучшие полированные поверхности не могут обеспечить зеркального отражения рентгеновских лучей (длины волн рентгеновского излучения практически всегда меньше средних размеров неоднородностей поверхности). Это обстоятельство препят­ствует созданию зеркального рентгеновского микроскопа.

Несмотря на перечисленные затруднения, в СССР и за границей были успешно проведены эксперименты в области рентгеновской мик­роскопии, используя некоторые специальные приемы. Правда, резуль­таты этих работ пока не получили технической реализации. Кроме того, они в настоящее время не дают возможности надеяться на какое-либо продвижение в сторону дифракционного предела, соответствующего диапазону рентгеновского излучения. Вместе с тем проблема рентге­новской микроскопии является в настоящее время настолько актуаль­ной, что в технике получили развитие некоторые «обходные» приемы, основывающиеся на сочетании методов рентгеновской проекции с ра­диотехническими (в том числе телевизионными) устройствами, позво­ляющими получить дополнительное увеличение (10÷30*) и приемлемое разрешение (порядка нескольких десятков микрон). И хотя это чрезвы­чайно далеко от потенциальных возможностей рентгеновской микро­скопии, подобные устройства находят применение в науке и технике.

Электроны и электронная оптика.

Подлинная революция в микроскопии произошла в 20-х годах нашего века, когда возникла идея использовать в ней потоки частиц - электронов. На основе этой идеи возникла и быстро развилась новая область науки ? электронная микроскопия, позволившая осуществить наиболее глубокий прорыв в области видения и изучения сверхмалых объектов.

Мы привыкли к тому, что видение объекта, формирование его изображения связаны с поступлением в прибор (а в конечном счёте в глаз) световых волн от этого предмета, того, что мы называем излуче­нием. Как же можно получить изображение объекта, причём даже с го­раздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как воз­можно видение предметов на основе использования не волн, а частиц?

Забегая несколько вперед, скажем, что электроны проявляют волновые свойства отнюдь не в меньшей мере, чем «настоящие», при­вычные волны, например, радио или световые. Но об этом ниже... Вмес­те с тем электроны ведут себя как настоящие частицы, обладающие массой, траекторией движения, энергией и другими свойствами, при­сущими различным предметам. Так в первую очередь ведут себя электроны во многих приборах и устройствах, широко применяющихся не только в науке и технике, но и в быту - в электронных лампах, кине­скопах и других электронных приборах радиоприёмников и телевизоров.

Современная физика весьма подробно знает «анкетные дан­ные» электрона. Это отрицательно заряженная частица (e=4,8e-10 CGSE) с массой 9,1e-28 г, но физики тщательно обходят вопросы, ко­торые иногда хочется задать чрезмерно любопытным, например о форме электрона, а о его размерах обычно говорят с оговорками. Зву­чит эта оговорка примерно так: «классический радиус электрона составляет ~ 10↑-13 см, а в рамках релятивистской теории это вообще точечная частица». Если не касаться определённой группы ситуаций, в которых электроны ведут себя не по правилам «здравого смысла» (об этом ниже), то это частицы, поведение которых можно описать и весьма точно рассчитать по законам механики и теории электромагне­тизма, как и любого другого объекта. Правда, в этих случаях, т. е. тогда, когда ещё не проявляются закономерности так называемой квантовой механики, приходится учитывать проявление эффектов теории относительности (релятивистских эффектов) и в первую оче­редь возрастание массы электрона с ростом скорости его движения.

Во многих практических применениях электронных потоков, на­пример в вакуумных приборах, электроны ведут себя как вполне «нормальные» частицы. Под действием известной силы, например, создаваемой электрическим полем между электродами, электрон при­обретает ускорение, пропорциональное силе и обратно пропорциональ­ное его массе. Движущиеся потоки электронов эквива­лентны электрическим токам, поэтому могут эффективно взаимодействовать с внешними магнитными полями. Таким образом, электрические и магнитные поля могут существенно влиять на траек­тории и скорости электронных потоков, и с помощью таких полей можно управлять движением электронов. Наука, занимающаяся нахождением траекторий движения электронов в электрических и магнитных полях, а также расчётом элементов и устройств, способных формировать нужные поля, называется электронной оптикой (обратите внимание - электронной оптикой ).

Более подробный анализ анкетных данных электрона обнаружи­вает необычность ряда его свойств. Действительно, если подходить к электрону с обычными мерками и считать, что он занимает объём V и обладает массой m, то «плотность вещества в электроне» ρ≈(m/V)=(9,1e-28)/(4/3*π*r↑3)≈10↑11 г/см↑3 (!). Здесь мы считаем элек­трон шариком с радиусом r порядка 10↑-13 см. Масса, заряд и некоторые другие постоянные, характеризующие электроны, известны уже с весьма высокой точностью3. Вопрос о том, каким образом элек­трон удерживается как целое и не разлетается под действием сил расталкивания, выходит далеко за рамки этого реферата…

Если предметам, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, достаточно трудно сообщить большую скорость (например, по­рядка нескольких километров в секунду), то электрон даже в поле с U=1В приобретает скорость V=(2*e/m*U)↑0,5≈6e7 см/сек. Таким обра­зом, электроны легче разогнать до больших скоростей, чем «остановить», т. е. заставить находиться в покое. Электроны в обыч­ной медицинской рентгеновской трубке тормозятся в поверхностном слое антикатода, проходя при этом путь в несколько ангстрем. Отри­цательное ускорение на пути s (например, при U≈100 кв.) при этом будет весьма велико:

ω≈(v↑2)/(2*s)≈10↑23 см/сек↑2 (!).

Наконец, укажем, что, как правило, в наших приборах для их нор­мальной работы необходим электронный поток, содержащий внушительное число частиц (например, электронному току в 1A соот­ветствует поток электронов в 10↑19 частиц в секунду!).

Итак, положение с электронами выглядит своеобразно:

1. есть объект, которым мы умеем управлять и свойства кото­рого научились использовать;
2. мы достаточно хорошо знаем свойства этого объекта и научи­лись проводить измерение даже точнее, чем для многих других объектов, с которыми встречаемся в повседневной жизни и которые можем видеть невооружённым глазом;
3. никто никогда не видел электронов, но все знакомы с резуль­татами его действий;
4. с точки зрения «здравого смысла» и на основе сопоставления результатов очень хорошо поставленных экспериментов электрон является далеко не тривиальным объектом: плот­ность электронного вещества фантастически велика, он является сверх прочным объектом, способным «противостоять» действию сверхбольших инерциальных и электрических (кулоновских) сил.

Электроны - волны!?

Нечего удивляться, что столь «странная личность», какой явля­ется электрон, ведёт себя уже совсем необычно в ряде ситуаций. Эти ситуации проявляются, во-первых, тогда, когда электронов много или вернее, когда их много в единице объёма и, во-вторых, когда элек­троны взаимодействуют с атомами и молекулами вещества. Эти и ряд других ситуаций характерны для явлений, рассматриваемых квантовой механикой. Из этой удивительной области мы упомянем только то, что в ряде ситуаций электрон ведёт себя как волна. Что это значит?

Мы знаем, что, например, световые волны при взаимодействии с пространственной периодической структурой претерпевают дифрак­цию. Точно так же при соблюдении определённых условий волны могут интерферировать. Аналогичные свойства наблюдаются у электронов. Так, например, в определённых условиях электронный поток, взаимо­действующий с периодической пространственной структурой кристалла, образует дифракционную картину, которую можно зафикси­ровать на фотопластинке. Известно большое число фактов, когда электроны проявляют волновые свойства. Более того, советские учё­ные В. Фабрикант, Л. Биберман и Н. Сушкин продемонстрировали волновые свойства отдельных электронов!

Итак, анкетные данные электрона выглядят странно и необычно.

Не вдаваясь в тонкости вопроса о волновых свойствах электро­нов (как и других микрочастиц!), скажем, что электрону, движущемуся со скоростью v(см/сек), соответствует длина волны λ=h/(m*v), где m - масса электрона, а h= 6,6e-27 эрг*сек - знаменитая константа Планка.

Так как v=(2*e/m*U), то λ=(12,25/U↑0,5)A°; здесь U выражено в киловольтах.

Так, например, при U=100 кв. λ=0,037 A°. Таким образом, если ис­пользовать электроны в микроскопии, то дифракционный предел, обусловленный волновыми свойствами электронов, лежит значи­тельно дальше, чем в оптической микроскопии. А так как электронами можно управлять с помощью электрических и магнитных полей, то электронная оптика позволяет нам заранее рассчитывать такие сис­темы формирования этих полей, которые способны фокусировать потоки электронов, управлять электронными лучами и совершать дру­гие необходимые действия.

В нашем распоряжении также имеются люминесцентные экраны, которые светятся при попадании на их поверхность электронов (вспомним работу кинескопа в телевизоре!); при попадании электронов на фотопластинку происходит фотолитическое почернение. Сущест­вуют и другие способы регистрации электронов. Напомним, что электроны способны, кроме того, проникать сквозь тонкие слои мате­риалов, отражаться и рассеиваться материалами. Эти свойства электронов и их взаимодействия с полями и исследуемым веществом лежат в основе электронной микроскопии. Рассмотрим схемы и особен­ности устройства электронных микроскопов.

Устройство электронного микро­скопа.

Как же устроен электронный микроскоп? В чём его отличие от оптического микроскопа, существует ли между ними какая-нибудь ана­логия?

В основе работы электронного микроскопа (общий вид его при­ведён на рис. 3) лежит свойство неоднородных электрических и магнитных полей, обладающих вращательной симметрией, оказывать на электронные пучки фокусирующее действие. Таким образом, роль линз в электронном микроскопе играет совокупность соответствующим образом рассчитанных электрических и магнитных полей; соответст­вующие устройства, создающие эти поля, называют «электронными линзами». В зависимости от вида электронных линз электронные мик­роскопы делятся на магнитные, электростатические и комбинированные.

Рис. 3. Электронный микроскоп EM8 фирмы АЕС-Цейсс.

Какого же типа объекты могут быть исследованы с помощью электронного микроскопа? Так же как и в случае оптического микро­скопа объекты, во-первых, могут быть «самосветящимися», т. е. служить источником электронов. Это, например, накаленный катод или освещаемый фотоэлектронный катод. Во-вторых, могут быть исполь­зованы объекты, «прозрачные» для электронов, обладающих определённой скоростью. Иными словами, при работе на просвет объ­екты должны быть достаточно тонкими, а электроны достаточно быстрыми, чтобы они проходили сквозь объекты и поступали в систему электронных линз. Кроме того, путём использования отражённых элек­тронных лучей могут быть изучены поверхности массивных объектов (в основном металлов и металлизированных образцов). Такой способ на­блюдения аналогичен методам отражательной оптической микроскопии.

По характеру исследования объектов электронные микроскопы разделяют на просвечивающие, отражательные, эмиссионные, растро­вые, теневые и зеркальные.

Наиболее распространёнными в настоящее время являются электромагнитные микроскопы просвечивающего типа, в которых изо­бражение создаётся электронами, проходящими сквозь объект наблюдения. Устройство такого микроскопа показано на рис. 4 (слева для сравнения показано устройство оптического микроскопа). Он со­стоит из следующих основных узлов: осветительной системы, камеры объекта, фокусирующей системы и блока регистрации конечного изо­бражения, состоящего из фотокамеры и флуоресцирующего экрана. Все эти узлы соединены друг с другом, образуя так называемую ко­лонну микроскопа, внутри которой поддерживается давление ~10↑-4 - 10↑-5 мм рт. ст. Осветительная система обычно состоит из трёхэлек­тродной электронной пушки (катод, фокусирующий электрод, анод) и конденсорной линзы (здесь и далее речь идёт об электронных линзах). Она формирует пучок быстрых электронов нужного сечения и интен­сивности и направляет его на исследуемый объект, находящийся в камере объектов. Пучок электронов, прошедший сквозь объект, посту­пает в фокусирующую (проекционную) систему, состоящую из объективной линзы и одной или нескольких проекционных линз.

Рис. 4. Схемы устройств оптического микроскопа (а) и электронного микроскопа просвечивающего типа (б):

1 - источник света (электронов);

2 - конденсорная линза;

3 - объект;

4 - объективная линза;

5 - промежуточное изображение;

6 - проекционная линза;

7 - конечное изображение.

Объективная линза предназначена для получения увеличенного электронного изображения (обычно увеличение~100*). Часто это уве­личенное изображение называют промежуточным. Для его наблюдения в плоскости изображений объективной линзы располагают специаль­ный экран. Этот экран, покрытый люминесцирующим веществом (люминофором), аналогичен экрану в кинескопах, превращает элек­тронное изображение в видимое.

Часть электронов из числа попадающих на экран необходимо направлять в проекционную линзу для формирования конечного элек­тронного изображения; с этой целью в центре экрана сделано круглое отверстие. Поток электронов, прошедших сквозь отверстие, перед по­ступлением в проекционную линзу диафрагмируется. В более слож­ных микроскопах используются две электронные линзы. В этих случаях первую из линз называют промежуточной; она формирует второе про­межуточное изображение. Вторая же проекционная линза формирует конечное электронное изображение, которое фиксируется в блоке ре­гистрации. Результат электронно-микроскопического исследования может быть получен либо в виде распределения плотностей почерне­ния фотографической пластинки, либо в виде распределения ярко­с­тей свечения люминесцентного экрана.

Образование изображения в просвечивающем электронном мик­роскопе связано главным образом с различной степенью рассеяния электронов различными участками исследуемого образца и в меньшей мере с различием в поглощении электронов этими участками. В зави­симости от степени рассеяния электронов участками образца через так называемую апертурную диафрагму, помещённую перед объектив­ной линзой, проходит большее или меньшее число электронов (диафрагма пропускает лишь те электроны, углы рассеяния которых не очень велики). Контрастность получаемого изображения определяется отношением числа прошедших через диафрагму электронов к общему числу электронов, рассеянных данным микроучастком образца.

Максимальное увеличение такого микроскопа определяется ве­личинами фокусных расстояний объективной и проекционной линз и расстоянием между объектом наблюдения и плоскостью конечного изображения. Для просвечивающего микроскопа с одной проекционной линзой эта зависимость выражается следующей простой формулой:

M=L↑2/(4*f1*f2),

где L - расстояние между объектом и плоскостью изображения; f1 и f2 - соответственно фокусные расстояния объективной и проекцион­ной линз.

Из формулы видно, что для достижения больших увеличений целесообразно использовать короткофокусные линзы и располагать их на большом расстоянии друг от друга, что соответствует большому значению величины L. Заметим, что в этом отношении электронный микроскоп аналогичен оптическому.

Реально в современных электронных микроскопах L не превы­шает 1- 2 м, а величины f1 и f2 составляют порядка 1,5 - 2 мм. Нетрудно подсчитать, что в этом случае Mмакс=20000÷40000. Однако для электронного микроскопа есть смысл добиваться дальнейшего повышения увеличения ещё на порядок, поскольку максимальное по­лезное увеличение его, определяемое отношением разрешающей способности человеческого глаза (~0,2 мм) на расстоянии наилучшего зрения к разрешающей способности электронного микроскопа, состав­ляет порядка 400000.

Хотя, как мы видели, теоретическая разрешающая способность в электронной микроскопии, ограничиваемая дифракционным преде­лом, при использовании ускоряющего напряжения порядка 100 кв составляет 0,037А°, реально достижимое разрешение в силу ряда при­чин, о которых речь пойдёт ниже, оказывается существенно меньше этой величины. В современных электронных микроскопах гарантируе­мое разрешение составляет 4,5 - 5,0А°. Величина максимального полезного увеличения (400 000*) соответствует разрешающей способ­ности в 5,0А°. Для достижения столь большого увеличения в электронных микроскопах обычно используются промежуточные линзы небольшого увеличения.

Объекты электронной микроскопии.

Теперь посмотрим, какие объекты можем мы наблюдать и ис­следовать с помощью, обладающего разрешающей способностью порядка нескольких ангстрем, т. е. порядка 10↑-10 м. Очень немного говорит эта цифра, так как число с десятью нулями представить не очень просто. Почему эту величину следует считать малой и даже сверхмалой? По сравнению с чем? В старом учебнике физики Цингера была фраза, смысл которой сводился к следующему: «Если портной ошибётся в длине вашего платья на один сантиметр, вы вряд ли это заметите, но если наборщик сместит буквы на один сантиметр - это каждый сразу заметит». Величина 10↑-10 м очень малая, если её срав­нивать с размерами предметов в нашей комнате. Это также очень малая величина по сравнению с размерами тех вещей, тех объектов, которые мы можем взять руками, можем потрогать. Все эти предметы состоят из громадного числа атомов и молекул. Величина же 10↑-10 м сравнима с размерами отдельных атомов и молекул. Таким образом, научившись видеть и общаться с такими величинами, мы приобретаем возможность «работать» с отдельными атомами и молекулами веще­ства или по крайней мере с объектами, в которых не очень много атомов. Современные электронные микроскопы позволяют наблюдать и изучать большие органические молекулы.

Итак, совершив «прорыв» в средствах наблюдения в область размеров порядка 10↑-9÷10↑-10 м, мы по сравнению с метром - вели­чиной, сравнимой с длиной шага, совершаем скачок в миллиарды (10↑9) раз. Обратим внимание, что расстояние от Земли до окраинных объектов Солнечной системы ~6e9 км, которое свет(его скорость 300000 км/сек) проходит примерно за 6 ч, по сравнению с линейными размерами города (~10 км), оказывается больше в 6e8 раз.

Но хорошо, что же можно узнать нового, проникнув в область сверх малых размеров, открываемых электронной микроскопией? Не представляет ли собой этот мир атомов и молекул нечто, в котором отсутствуют не только краски и звуки, но и вообще какие-либо признаки разнообразия, жизни и красоты? Оказывается не нужно даже обладать богатым воображением, чтобы увидеть своеобразную красоту мира сверх малых объектов и увлечься ею. Посмотрите на рис. 5, и вы в этом убедитесь.

Рис. 5. Кристалл K2PtCl4, выраженный на пленке из вод­ного раствора.

На уровне размеров, разрешаемой современной электронной микроскопией, разворачиваются события, играющие в конечном итоге исключительно важную роль в жизни человека, природе и технике. Прежде всего биология. Живые клетки представляют собой сложные структурные образования; в них протекают сложнейшие, изученные лишь частично биохимические процессы. Ход этих процессов опреде­ляет жизнедеятельность клеток, их взаимосвязь и в конечном итоге жизнедеятельность организмов.

В этом мире нашему взору открываются ранее не известные нам населяющие его «жители», их действия и привычки, взаимоотношения между собой, их дружба и маленькие трагедии, которые в конечном итоге приводят к событиям, играющим важнейшую роль в масштабах природы и человечества. Здесь на молекулярном уровне хранится ве­личайшая тайна - тайна жизни, ее вечного воспроизведения и совершенствования. Здесь же спрятаны такие факторы, как причины болезней и смерти, либо прерывающие жизнь, либо делающие ее тра­гической; вирусы многих грозных болезней «легких», таких, как грипп, и страшных - таких, как чума; сложные молекулярные структуры - моле­кулы ДНК, РНК, хранящие вековечный код жизни, воспроизводящие и осуществляющие эту жизнь, - принадлежат к этому миру.

Многие свойства материалов, являющихся основой современной техники и использующихся в повседневной жизни человека и общества в целом, определяются свойствами микроструктур вещества, также относящихся к этому миру.

Таким образом, мир, который открывают нам методы электрон­ной микроскопии, не только многообразен и по своему красочен, но и играет чрезвычайно важную роль в жизни природы и человечества.

Виды электронных микроскопов.

Многообразие явлений, требующих изучения при помощи элек­тронной микроскопии, определяет разнообразие и специфику ее методов и соответствующих устройств. Мы уже знакомы с принципом действия просвечивающего электронного микроскопа. С его помощью можно исследовать тонкие образцы, пропускающие падающий на них пучок электронов.

В ряде случаев и в первую очередь для исследования массивных объектов применяются электронные микроскопы других типов.

Эмиссионный электронный микроскоп формирует изображение с помощью электронов, испускаемых самим объектом. Такое испускание достигается путем нагревания объекта (термоэлектронная эмиссия), освещения его (фотоэлектронная эмиссия), бомбардировки электро­нами или ионами (вторичная электронная эмиссия), а также помещением его в сильное электрическое поле (автоэлектронная эмиссия). Увеличенное изображение формируется подобно тому, как это делается в микроскопе просвечивающего типа. Образование изо­бражения в эмиссионном электронном микроскопе происходит в основном за счет различного испускания электронов микроучастками объекта. При эмиссионных исследованиях объектов разрешающая спо­собность микроскопов составляет ~300А°.

Эмиссионная электронная микроскопия нашла широкое приме­нение в исследованиях и разработках катодов электровакуумных приборов различного, в том числе радиолокационного применения, а также в физических исследованиях металлов и полупроводников.

В отражательном электронном микроскопе изображение созда­ется с помощью электронов, отраженных (рассеянных) поверхностным слоем объекта. Образование изображения в нем обусловлено разли­чием рассеяния электронов в разных точках объекта в зависимости от материала и микрорельефа. Обычно образцы получаются под малым углом (приблизительно несколько градусов) к поверхности. Практиче­ски на электронных микроскопах такого типа достигнуто разрешение порядка 100 ангстрем.

Одна из особенностей отражательного электронного микро­скопа — различие увеличений в различных направления вдоль плоскости объекта связано с наклонным положением объекта по от­ношению к оптической оси микроскопа. Поэтому увеличение такого микроскопа характеризуют обычно двумя величинами: увеличением в плоскости падения пучка электронов и увеличением в плоскости, пер­пендикулярной плоскости падения.

Растровый электронный микроскоп основан на использовании предварительно сформированного тонкого электронного луча (зонда), положением которого управляют с помощью электромагнитных полей. Это управление (сканирование) во многом аналогично процессу раз­вертки в телевизионных кинескопах. Электронный зонд последовательно проходит по поверхности исследуемого образца. Под воздействием электронов пучка происходит ряд процессов, характер­ных для данного материала и его структуры. К их числу относятся рассеяние первичных электронов, испускание (эмиссия) вторичных электронов, появление электронов, прошедших сквозь объект (в слу­чае тонких объектов), возникновение рентгеновского излучения. В ряде специальных случаев (люминесцирующие материалы, полупро­водники) возникает также световое излучение. Регистрация электронов, выходящих из объекта, а также других видов излучения (рентгеновского, светового) дает информацию о различных свойствах микроучастков изучаемого объекта. Соответственно этому системы индикации и другие элементы растровых микроскопов различаются в зависимости от вида регистрируемого излучения.

Синхронно с разверткой электронного зонда осуществляется развертка луча большого кинескопа. Рассмотрим работу растрового электронного микроскопа в режиме индикации тока вторичных элек­тронов. В этом случае величина вторичного электронного тока определяет глубину модуляции яркости на экране кинескопа. Растро­вый электронный микроскоп такого типа позволяет получить увеличение 100 ÷ 100 000 при достаточной контрастности изобра­жения. Разрешающая способность растровых электронных микроскопов определяется диаметром электронного зонда и в случае получения изображения в электронных лучах составляет ~300А°. Растровые элек­тронные микроскопы позволяют изучать, например, так называемые p-n переходы в полупроводниках.

Из электронных микроскопов упомянем зеркальный электронный микроскоп, основной особенностью которого является чувствитель­ность к микроскопическим электрическим и магнитным полям на отражающем массивном объекте. При этом достигается разрешение деталей порядка 1000А° и увеличение почти в 2000*. Работа такого микроскопа основана на действии микроскопических электрических и магнитных полей на электронный поток. Зеркальный электронный мик­роскоп позволяет изучать, например, доменную структуру ферромагнитных материалов, структуру сегнетоэлектриков.

В теневом электронном микроскопе, так же как и в растровом, формируется электронный зонд, однако положение его остается неиз­менным. Электронные лучи зонда служат для получения увеличенного теневого изображения объекта, помещенного в непосредственной бли­зости от зонда. Образование изображения обусловлено рассеянием и поглощением электронов различными участками объекта. Следует от­метить, что интенсивность конечного изображения в теневом электронном микроскопе незначительна, поэтому обычно в них исполь­зуются усилители света типа электронно-оптических преобразо­вателей.

Важной разновидностью электронных микроскопов растрового типа является микрорентгеноспектральный анализатор. Прибор осно­ван на возбуждении так называемого характеристического рентгеновского излучения атомов малого участка поверхности - об­разца с помощью тонкого высокоскоростного электронного зонда. Электронный зонд с помощью системы развертки обегает исследуе­мую поверхность. При торможении электронов на поверхности возникает наряду с так называемым тормозным излучением характери­стическое рентгеновское излучение, свойства которого существенно определяются строением электронных оболочек в атомах вещества. Это излучение обязано своим возникновением энергетическим перехо­дом между глубокими энергетическими уровнями атомов.

Возникающее характеристическое излучение регистрируется с помощью рентгеноспектральной аппаратуры. Диаметр электронного зонда может изменяться от 360 до 0,5 мкм, а размер просматриваемой площадки представляет собой квадрат со стороной 360, 180, 90 или 45 мкм. В одном из приборов такого типа скорость анализа по одному хи­мическому элементу соответствует движению зонда 8 или 96 мкм/мин (при механическом перемещении объекта). Анализировать можно все элементы периодической системы элементов Менделеева, легких (от атомного номера 11 - натрия).минимальный объем вещества, поддаю­щегося количественному анализу, составляет 0,1 мкг. С помощью микрорентгеновского анализатора получают распределение физико-химического состава вдоль исследуемой поверхности.

В СССР серийно выпускается (выпускался) микрорентгеновский анализатор типа МАР-1 (диаметр зонда около 1 мкм, наименьшая ана­лизируемая площадь 1мкм↑2). Приборы такого вида находят применение в электронной промышленности и в других областях науки и техники.

Читатель, видимо, обратил внимание на тот факт, что в элек­тронных микроскопах не достигается разрешающая способность, предсказываемая теорией. В чем же дело? Вспомним, что в формиро­вании изображения в электронных микроскопах важную роль играют элементы электронной оптики, позволяющие осуществлять управле­ние электронными пучками. Этим элементам — электронным линзам свойственны различного рода отклонения от идеального (требуемого расчетом) распределения электрических и магнитных полей. Положе­ние здесь во многом аналогично ограничениям в оптической микроскопии, связанным с неточностью изготовления оптических линз, зеркал и других элементов. Кроме того, ряд трудностей связан с осо­бенностями изготовления и работы источников электронных потоков (катодов), а также с проблемой создания потоков, в которых электроны мало отличаются по скоростям. В соответствии с этими фактами, дей­ствующими в реальных условиях, различают определённые виды искажений в электронных микроскопах, используя при этом терминоло­гию, заимствованную из световой оптики.

Основными видами искажений электронных линз в просвечи­вающих микроскопах являются сферическая и хроматическая аберрации, а также дифракция и приосевой астигматизм. Не останав­ливаясь на происхождении различных видов искажений, связанных с нарушениями симметрии полей и взаимным расположением элементов электронной оптики, упомянем лишь о хроматической аберрации. По­следний вид искажений аналогичен возникновению окрашенных изображений в простых биноклях и лупах. Использование спектрально чистого монохроматического света в оптике (вместо белого) устраняет этот вид искажений. Аналогично этому в электронной микроскопии ис­пользуют по возможности пучки электронов, скорости которых отличаются мало (вспомним соотношение λ=h/(m*v) для электрона!). Этого достигают применением высокостабильных источников элек­трического питания.

Близким «родственником» электронного микроскопа является электронограф - прибор, использующий явление дифракции элек­тронов, той самой дифракции, которая в своё время подтвердила наличие волновых свойств у электронов и ставит в наши дни предел разрешения в электронном микроскопе. В случае электронов объек­тами, в которых может происходить дифракция на периодической структуре (аналогичной объёмной дифракционной решётке в оптике), служат кристаллические структуры. Известно, что в кристаллах атомы расположены в строгом геометрическом порядке на расстояниях по­рядка единиц ангстрем. Особенно правильно это расположение в так называемых монокристаллах. При взаимодействии электронов с та­кими структурами возникает рассеяние электронов в преимуществен­ных направлениях в соответствии с предсказываемыми теорией соотношениями. Регистрируя рассеянные электроны (например, фотографируя их), можно получать информацию об атом­ной структуре вещества. В современных условиях электронография широко применяется при исследованиях не только твёрдых, но и жид­ких, газообразных тел. О виде получаемых электронограмм можно судить по фотографиям (см. рис.6).

Рис. 6. Электорнограмма высокого разрешения (окись цинка):

вверху - электронограмма; внизу - увеличенное изображение участка А.

В нашей стране и за рубежом применяются специализированные электронографы промышленного типа. Кроме того, в некоторых элек­тронных микроскопах предусмотрена возможность работы в режиме электронографии.

Следует заметить, что с точки зрения физики получение элек­тронограмм представляет собой процесс, во многом близкий процессу получению рентгенограмм в рентгеноструктурном анализе. Действи­тельно, если в электрографии используется дифракция электронов, то в рентгеноструктурном анализе происходит дифракция рентгенов­ских лучей на атомных структурах. Естественно, что каждый из этих методов имеет свою область применения.

Особенности работы с электронным микроскопом.

Остановимся кратко на основных приемах работы в электронной микроскопии. Естественно, что эти приемы своеобразны, учитывая сверхмалые размеры объектов, подлежащих исследованию. Так, на­пример, в биологических исследованиях находят применения «сверхтонкие ножи» - микротомы, позволяющие получать срезы биоло­гических объектов толщиной менее 1 мкм.

Главные особенности методики электронной микроскопии опре­деляются необходимостью помещения объекта исследования внутрь колонны электронного микроскопа, т.е. в вакуум и обеспечения условий высокой чистоты, так как малейшие загрязнения могут существенно исказить результаты. Для просвечивающего электронного микроскопа объект приготовляется в виде тонких пленок, в качестве которых мо­гут служить различного рода лаки, пленки металлов и полупроводников, ультратонкие срезы биологических препаратов. Кроме того, объектами исследования могут быть тонко измельченные (диспергированные) совокупности частиц. Обычно в просвечивающих микроскопах, работающих при напряжениях 50-100 кв, толщина объек­тов не может превышать 200 А°(для неорганических веществ) и 1000 А° (для органических). Биологические объекты в большинстве случаев приходится контрастировать, т.е. «окрашивать» (солями тяжелых ме­таллов), оттенять напылением металлов (платиной, палладием и др.) и использовать ряд других приемов. Необходимость контрастирования вызвана тем, что большинство биологических объектов содержит атомы легких элементов (с малым атомным номером) - водород, угле­род, азот, кислород, фосфор и т.д. в то же время толщина объектов, интересных для биологии и медицины, составляет величину порядка 50 А°. Без контрастирования при электронно-микроскопических ис­следованиях вирусов наблюдаются бесструктурные пятна, а отдельные молекулы нуклеиновых кислот вообще неразличимы. Ис­пользование методов контрастирования позволяет эффективно применить электронную микроскопию в биологических исследованиях и в том числе при исследованиях больших молекул (макромолекул) - см., например, рис. 7.

Рис. 7. РНК из вируса табачной мозаики (из раствора с ионной силой 0,0003 мкм).

В ряде случаев при исследовании, например, массивных объек­тов в технике широкое применение находит метод получения отпечатков, который заключается в изготовлении и последующем ис­следовании в микроскопе копий поверхностей объектов.

Используются как естественные отпечатки (тонкие слои оки­слов), так и искусственные, получаемые путем нанесения (напыления, осаждения) пленок кварца, углерода и других веществ. Наибольшее разрешение ( ~10 А°) позволяют получить угольные реплики, которые находят широкое применение как в технике, так и в биологии.

При наблюдении электронно-микроскопическими методами влажных объектов ( в том числе живых клеток) используются вакуумно-изолированные газовые микрокамеры. Объекты исследования помещаются в электронных микроскопах на тончайшие пленки - под­ложки, которые крепятся на специальных сетках, изготовляемых обычно из меди электролитическим способом. Эти пленки должны удовлетворять целому ряду требований, поскольку относительно большая толщина их, а также сильное рассеяние ими электронов при­водят к резкому ухудшению качества изображения объекта. Кроме того, материал таких пленок должен обладать хорошей теплопровод­ностью и высокой стойкостью к электронной бомбардировке.

Кстати, об электронной бомбардировке объекта исследования и ее последствиях. При попадании электронов на объект они выделяют энергию, примерно равную кинетической энергии их движения. В ре­зультате могут происходить местный разогрев и разрушение участков объекта.

Электронный микроскоп часто используется для микрохимичес­кого анализа исследуемого вещества согласно методу, предложенному М. И. Земляновой и Ю. М. Кушниром. По существу этот метод аналоги­чен методу микрохимического анализа с помощью оптического микро­скопа. В данном случае электронный микроскоп используется в качес­тве устройства, способного обнаружить малые количества искомого вещества (по форме и структуре кристаллов и т.п.). на поверхность водного раствора, в котором предполагается наличие искомых ионов, наносится капля 1 — 1,5% раствора нитроклетчатки в амилацетате. Капля растекается по поверхности жидкости и образует коллодиевую пленку, на которую наносится капля реагента. Ионы реагента прони­кают (диффундируют) сквозь пленку и, взаимодействуя с раствором, образуют на поверхности пленки кристаллы, которые содержат ионы, подлежащие обнаружению. После специальной очистки кусочек пленки с кристалликами помещается в электронный микроскоп, и на основе изучения этих кристалликов оказывается возможным дать ответ о на­личии искомых ионов, а в ряде случаев — и об их концентрации. Такой метод микрохимического анализа характеризуется высокой чувстви­тельностью (на 2 — 3 порядка большей по сравнению с другими спосо­бами). Например, ионы марганца могут быть обнаружены в растворе с концентрацией не ниже 10↑-11 нормального раствора при содержании иона 10↑-11 г (по данным А. М. Решетникова).

Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии.

К настоящему времени электронная микроскопия достигла больших успехов и нашла многочисленные применения. Однако в ряде случаев, о которых кратко было сказано выше, было бы чрезвычайно желательным добиться дальнейшего прогресса в электронной микро­скопии. Это в первую очередь относится к проблеме достижения большей разрешающей способности.

На пути решения этой краеугольной задачи стоят чрезвычайно серьезные технические трудности, связанные с проблемами создания электронных линз, их взаимного расположения формирования одно­скоростных электронных потоков. Совокупность этих факторов приво­дит в конечном итоге к различного рода искажениям, играющим важ­ную роль при больших увеличениях и приводящим к тому, что практи­чески достигаемое разрешение оказывается хуже предельного.

По мере приближения электронной микроскопии к своим пре­дельным возможностям все труднее и труднее становится вносить в нее дальнейшие усовершенствования.

Самые последние достижения в электронной микроскопии осно­ваны на применении новых высоковольтных (V = 100 кв) и сверхвысоко­вакуумных (вакуум 2e-10 мм рт. ст.) приборов. Высоковольтная элек­тронная микроскопия, как показывает опыт, позволяет уменьшить хро­матическую аберрацию электронных линз. В печати сообщается, на­пример, о том, что с помощью нового японского микроскопа SMH-5 мо­гут быть получены фотографии решеток с межплоскостным расстоя­нием ~1 А°. Сообщается также, что на новом электронном микроскопе с ускоряющим напряжением 750 кв получено разрешение, равное 3 А°.

Рассматриваются возможности применения в электронной мик­роскопии линз из сверхпроводящих сплавов (например, Hi - Zn), кото­рые позволят получить высокие оптические свойства электронных сис­тем и исключительную стабильность полей. Ожидается, что использо­вание специальных линз-фильтров позволит получить новые резуль­таты в отражательной электронной микроскопии. При использовании таких линз в просвечивающем электронном микроскопе удалось суще­ственно улучшить их разрешающую способность.

В растровых электронных микроскопах просвечивающего типа к настоящему времени достигнута разрешающая способность в 100 А°. Новый эмиссионный микроскоп позволяет получать разрешения дета­лей с размерами от 120 (для фотоэмиссии) до 270 А° (для вторичной эмиссии).

Вызывает интерес сообщение о том, что голландская фирма Philips вносит ряд усовершенствований в микроскоп типа EM-300, кото­рые позволят довести практическую разрешающую способность до теоретического предела (!). Правда, о существе этих усовершенство­ваний пока не сообщается.

Важность проблемы улучшения разрешающей способности в электронной микроскопии, приближение ее к теоретическому пределу стимулировала проведение целого ряда исследований в этой области. Из многочисленных предложений и идей, зачастую остроумных и весьма перспективных, остановимся на идеях, высказанных английским физиком Габором, получивших в последние годы широкое развитие в оптике, радиофизике, акустике, особенно в связи с созданием оптиче­ских квантовых генераторов (лазеров). Речь идет о так называемой голографии, о которой известно сейчас не только специалистам, но и всем тем, кто интересуется новейшими достижениями физики. Вместе с тем не все, наверное, знают, что первые работы Габора по гологра­фии, проведенные еще в «долазерный» период (1948-1951), были поставлены и выполнены именно в связи с задачей повышения разре­шающей способности в электронной микроскопии.

Сущность предлагавшегося метода сводилась к следующему. Монохроматический поток электронов, т.е. поток, содержащий элек­троны с одинаковыми скоростями, освещает объект исследования (по схеме просвечивающего или теневого микроскопа). При этом происхо­дит дифракция электронов на объекте (вспомним волновые свойства электронов!). Обычно в электронном микроскопе пучок, претерпевший дифракцию на объекте, поступает в систему электронных линз, фор­мирующих изображение и обеспечивающих нужное большое увеличение. Однако эти же линзы, как мы уже отмечали, являются ис­точниками трудно устранимых искажений, препятствующих достижению теоретического разрешения. В новом методе предлагалось фиксиро­вать результат дифракции электронов фотографически в виде дифракционной картины и подвергать эту картину последующей обра­ботке с помощью оптических методов, где получение нужных усилений может быть достигнуто с меньшими искажениями. В таком двухступен­чатом процессе получения изображений основное увеличение достигается за счет перехода от «электронных» длин волн к оптиче­ским. При этом следует отметить, что обрабатываемая оптическими методами картина дифракции практически не имеет сходства с объек­том исследования. Однако с помощью светового излучения (видимого) по этой картине в несложном оптическом устройстве можно восстано­вить изображение исследуемого объекта. Для этого источник излучения должен посылать монохроматические когерентные волны, т.е. должен обладать теми свойствами, которые так ярко проявляются у оптических квантовых генераторов.

Заметим, что, образно говоря, в этом двухступенчатом процессе мы фиксируем, «замораживаем» фронт электронных волн и потом вос­производим его вновь в виде фронта световой волны в значительно большем масштабе, используя при этом различие длин волн света и электронов (это соотношение, например, может быть порядка 6000А°/0,030А° ≈ 200000).

В таком «безлинзовом», а потому и не вносящим искажений уве­личении и заключается основное достоинство метода голографии в электронной микроскопии.

К числу новых направлений следует также отнести область мик­роскопии, использующую вместо электронов другие виды микрочастиц, тяжелых по сравнению с электронами. В этом случае дифракционный предел, предсказываемый теорией, смещен в более далекую область малых размеров. Примером такого направления микроскопии является развивающаяся автоионная микроскопия.

В автоионных микроскопах, используемых при исследовании фи­зики поверхностных явлений, главным образом в металлах, оказывается возможным видение отдельных атомов. Методика авто­ионной микроскопии весьма своеобразна; эта область претерпевает бурное развитие.

Как же далеко мы сможем еще продвинуться по пути раскрытия тайн микрообъектов? Мы видим, что за исторически короткий срок, ис­пользуя новейшие достижения физики и радиоэлектроники, электронная микроскопия превратилась в мощное орудие исследова­ния природы. Обозримое будущее этой области науки связано с реализацией дерзновенных проектов создания таких приборов, кото­рые позволят «приблизить» и сделать зримым многообразный и красочный микромир. Далеко не всё ещё ясно на этом пути, на котором постоянно возникают всё более и более сложные научно-технические и технологические проблемы. Современные приборы микроскопии явля­ются несравненно более сложными устройствами, чем микроскопы недавнего прошлого.

Уже сейчас мы сталкиваемся с очевидным фактом: приборы мик­роскопии становятся всё более сложными и громоздкими по мере проникновения в ранее недосягаемые тайны мира малых объектов. Дальнейшее усложнение этих приборов, увеличение затрат на их изго­товление определяются необходимостью разрешения новых всё более сложных проблем.

Здесь уместно провести аналогию с развитием эксперименталь­ной ядерной физики, где получение информации о свойствах микрочастиц вещества, из которых состоят ядра атомов, связано с созданием сложнейших и, как правило, чрезвычайно громоздких и до­рогих приборов и установок.

Получение информации, раскрывающей тайны микромира, опла­чивается высокой ценой. Однако происходящие при этом затраты интеллектуальных и материальных ресурсов, как показывает опыт ис­тории науки, безусловно, окупаются теми возможностями, которые открываются при этом в технике, физике, химии, биологии и медицине.

Литература:

• Рукман Г.И. , Клименко И.С. Электронная микроскопия. М., Знание, 1968.

• Савельев И.В. Курс физики, т.3. М., Наука, 1989.

Рисунки:

1 Напомним, что 1Α° (ангстрем) = 10e-10 м.

2 В абсолютной системе единиц коэффициент преломления вакуума равен единице.

3 Обратим внимание на то, что масса электрона по данным 1996 г. известна с относительной погрешностью не более 0,00003, а заряд - не более 0,00002.