Физика микромира

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

¾ 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 ¾ источник света (электронов);

     2 ¾ конденсорная линза;

     3 ¾ объект;

     4 ¾ объективная линза;

     5 ¾ промежуточное изображение;

     6 ¾ проекционная линза;

     7 ¾ 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=L2/(4*f1*f2),                            

где L ¾ расстояние между объектом и плоскостью изображения;   f1 и f2

¾ 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 1¾ 2 м, а

величины f1 и f2 составляют порядка 1,5 ¾ 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 ¾ 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 ¾ 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 ¾ величиной, сравнимой с

длиной шага, совершаем  скачок в миллиарды (109) 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