Физика микромира

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 l=h/(m*v) äëÿ

ýëåêòðîíà!). Этого

достигают применением  высокостабильных источников электрического питания.

Близким «родственником»  электронного микроскопа является электронограф

¾ 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 ¾ электронограмма;  внизу ¾ 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) ¾  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