Расскажи друзьям!

Дифракция электронов

Ãîñóäàðñòâåííûé êîìèòåò

Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè ïî âûñøåìó îáðàçîâàíèþ.

Êàôåäðà îáùåé ôèçèêè.

Реферат на тему:

“Äèôðàêöèÿ ýëåêòðîíîâ.

Ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï”.

Ôàêóëüòåò: ÀÂÒ.

Êàôåäðà: ÀÑÓ.

Ãðóïïà: À-513.

Ñòóäåíò: Áîðçîâ Àíäðåé Íèêîëàåâè÷.

Ïðåïîäàâàòåëü: Óñîëüöåâà Íåëëè ßêîâëåâíà.

Äàòà: 1 äåêàáðÿ 1996 ã.

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, 2­3 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.

Ïóòü ìèêðîñêîïèè.

Êîãäà íà ïîðîãå XVII ñòîëåòèÿ áûë ñîçäàí ïåðâûé ìèêðîñêîï, âðÿä ëè êòî-ëèáî (è äàæå åãî èçîáðåòàòåëü) ìîã ïðåäñòàâèòü áóäóùèå óñïåõè è ìíîãî÷èñëåííûå îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ìèêðîñêîïèè. Îãëÿäûâàÿñü íàçàä, ìû óáåæäàåìñÿ, ÷òî ýòî èçîáðåòåíèå çíàìåíîâàëî ñîáîé íå÷òî áîëüøåå, ÷åì ñîçäàíèå íîâîãî óñòðîéñòâà: âïåðâûå ÷åëîâåê ïîëó÷èë âîçìîæíîñòü óâèäåòü ðàíåå íåâèäèìîå.

Ïðèìåðíî ê ýòîìó æå âðåìåíè îòíîñèòñÿ åùå îäíî ñîáûòèå ¾ èçîáðåòåíèå òåëåñêîïà, ïîçâîëèâøåå óâèäåòü íåâèäèìîå â ìèðå ïëàíåò è çâåçä. Èçîáðåòåíèå ìèêðîñêîïà è òåëåñêîïà ïðåäñòàâëÿëî ñîáîé ðåâîëþöèþ íå òîëüêî â ñïîñîáàõ èçó÷åíèÿ ïðèðîäû, íî è â ñàìîì ìåòîäå èññëåäîâàíèÿ.

Äåéñòâèòåëüíî, íàòóðôèëîñîôû äðåâíîñòè íàáëþäàëè ïðèðîäó, óçíàâàÿ î íåé òîëüêî òî, ÷òî âèäåë ãëàç, ÷óâñòâîâàëà êîæà, ñëûøàëî óõî. Ìîæíî ëèøü óäèâëÿòüñÿ òîìó, êàê ìíîãî ïðàâèëüíûõ ñâåäåíèé îá îêðóæàþùåì ìèðå ïîëó÷èëè îíè, ïîëüçóÿñü “íåâîîðóæåííûìè” îðãàíàìè ÷óâñòâ è íå ñòàâÿ ñïåöèàëüíûõ ýêñïåðèìåíòîâ, êàê ýòî äåëàþò ñåé÷àñ. Âìåñòå ñ òåì íàðÿäó ñ òî÷íûìè ôàêòàìè è ãåíèàëüíûìè äîãàäêàìè êàê ìíîãî ëîæíûõ “íàáëþäåíèé”, óòâåðæäåíèé è âûâîäîâ îñòàâèëè íàì ó÷åíûå äðåâíîñòè è ñðåäíèõ âåêîâ!

Ëèøü çíà÷èòåëüíî ïîçäíåå áûë íàéäåí ìåòîä èçó÷åíèÿ ïðèðîäû, çàêëþ÷àþùèéñÿ â ïîñòàíîâêå ñîçíàòåëüíî ïëàíèðóåìûõ ýêñïåðèìåíòîâ, öåëüþ êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ ïðîâåðêà ïðåäïîëîæåíèé è ÷åòêî ñôîðìóëèðîâàííûõ ãèïîòåç. Îñîáåííîñòè ýòîãî ìåòîäà èññëåäîâàíèÿ Ôðýíñèñ Áýêîí - îäèí èç åãî ñîçäàòåëåé - âûðàçèë â ñëåäóþùèõ, ñòàâøèõ çíàìåíèòûìè, ñëîâàõ: “Ñòàâèòü ýêñïåðèìåíò - ýòî ó÷èíÿòü äîïðîñ ïðèðîäå”.Ñàìûå ïåðâûå øàãè ýêñïåðèìåíòàëüíîãî ìåòîäà ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì áûëè ñêðîìíû, è â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ýêñïåðèìåíòàòîðû òîãî âðåìåíè îáõîäèëèñü áåç êàêèõ-ëèáî óñòðîéñòâ, “óñèëèâàþùèõ” îðãàíû ÷óâñòâ. Èçîáðåòåíèå ìèêðîñêîïà è òåëåñêîïà ïðåäñòàâëÿëî ñîáîé êîëîññàëüíîå ðàñøèðåíèå âîçìîæíîñòåé íàáëþäåíèÿ è ýêñïåðèìåíòà.

Óæå ïåðâûå íàáëþäåíèÿ, ïðîâåä¸ííûå ñ ïîìîùüþ ñàìîé ïðîñòîé è íåñîâåðøåííîé ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì òåõíèêè, îòêðûëè “öåëûé ìèð â êàïëå âîäû”. Îêàçàëîñü, ÷òî çíàêîìûå ïðåäìåòû âûãëÿäÿò ñîâñåì ïî-èíîìó, åñëè èõ ðàññìàòðèâàòü â ìèêðîñêîï: ãëàäêèå íà âçãëÿä è îùóïü ïîâåðõíîñòè îêàçûâàþòñÿ â äåéñòâèòåëüíîñòè øåðîõîâàòûìè, â “÷èñòîé” âîäå äâèæóòñÿ ìèðèàäû ìåëü÷àéøèõ îðãàíèçìîâ. Òî÷íî òàê æå ïåðâûå àñòðîíîìè÷åñêèå íàáëþäåíèÿ ñ ïîìîùüþ òåëåñêîïîâ äàëè âîçìîæíîñòü ÷åëîâåêó ïî-íîâîìó óâèäåòü ïðèâû÷íûé ìèð ïëàíåò è çâ¸çä: íàïðèìåð, ïîâåðõíîñòü Ëóíû, âîñïåòîé ïîýòàìè âñåõ ïîêîëåíèé, îêàçàëàñü ãîðèñòîé è èñïåùð¸ííîé ìíîãî÷èñëåííûìè êðàòåðàìè, à ó Âåíåðû áûëà îáíàðóæåíà ñìåíà ôàç, êàê è ó Ëóíû.

 äàëüíåéøåì ýòè ïðîñòåéøèå íàáëþäåíèÿ äàäóò æèçíü ñàìîñòîÿòåëüíûì îáëàñòÿì íàóêè ¾ ìèêðîñêîïèè è íàáëþäàòåëüíîé àñòðîíîìèè. Ïðîéäóò ãîäû, è êàæäàÿ èç ýòèõ îáëàñòåé ðàçîâüåòñÿ â ìíîãî÷èñëåííûå ðàçâåòâëåíèÿ, âûðàæàþùèåñÿ â öåëîì ðÿäå ñàìûõ ðàçëè÷íûõ ïðèìåíåíèé â áèîëîãèè, ìåäèöèíå, òåõíèêå, õèìèè, ôèçèêå, íàâèãàöèè.

Ñîâðåìåííûå ìèêðîñêîïû, êîòîðûå â îòëè÷èå îò ýëåêòðîííûõ ìû áóäåì íàçûâàòü îïòè÷åñêèìè, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñîâåðøåííûå ïðèáîðû, ïîçâîëÿþùèå ïîëó÷àòü áîëüøèå óâåëè÷åíèÿ ñ âûñîêîé ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòüþ. Ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü îïðåäåëÿåòñÿ ðàññòîÿíèåì, íà êîòîðîì äâà ñîñåäíèõ ýëåìåíòà ñòðóêòóðû ìîãóò áûòü åù¸ âèäèìû ðàçäåëüíî. Îäíàêî, êàê ïîêàçàëè èññëåäîâàíèÿ, îïòè÷åñêàÿ ìèêðîñêîïèÿ ïðàêòè÷åñêè äîñòèãëà ïðèíöèïèàëüíîãî ïðåäåëà ñâîèõ âîçìîæíîñòåé èç-çà äèôðàêöèè è èíòåðôåðåíöèè ¾ ÿâëåíèé, îáóñëîâëåííûõ âîëíîâîé ïðèðîäîé ñâåòà.

Ñòåïåíü ìîíîõðîìàòè÷íîñòè è êîãåðåíòíîñòè ÿâëÿåòñÿ âàæíîé õàðàêòåðèñòèêîé âîëí ëþáîé ïðèðîäû (ýëåêòðîìàãíèòíûõ, çâóêîâûõ è äð.). Ìîíîõðîìàòè÷åñêèå êîëåáàíèÿ ¾ ýòî êîëåáàíèÿ, ñîñòîÿùèå èç ñèíóñîèäàëüíûõ âîëí îäíîé îïðåäåë¸ííîé ÷àñòîòû. Êîãäà ìû ïðåäñòàâëÿåì êîëåáàíèÿ â âèäå ïðîñòîé ñèíóñîèäû ñîîòâåòñòâåííî ñ ïîñòîÿííûìè àìïëèòóäîé, ÷àñòîòîé è ôàçîé, òî ýòî ÿâëÿåòñÿ îïðåäåë¸ííîé èäåàëèçàöèåé, òàê êàê, ñòðîãî ãîâîðÿ, â ïðèðîäå íå ñóùåñòâóåò êîëåáàíèé è âîëí, àáñîëþòíî òî÷íî îïèñûâàåìûõ ñèíóñîèäîé. Îäíàêî, êàê ïîêàçàëè èññëåäîâàíèÿ, ðåàëüíûå êîëåáàíèÿ è âîëíû ìîãóò ñ áîëüøåé èëè ìåíüøåé ñòåïåíüþ òî÷íîñòè ïðèáëèæàòüñÿ ê èäåàëüíîé ñèíóñîèäå (îáëàäàòü áîëüøåé èëè ìåíüøåé ñòåïåíüþ ìîíîõðîìàòè÷íîñòè). Êîëåáàíèÿ è âîëíû ñëîæíîé ôîðìû ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå íàáîðà ñèíóñîèäàëüíûõ êîëåáàíèé è âîëí. Ïî ñóòè äåëà, ýòó ìàòåìàòè÷åñêóþ îïåðàöèþ îñóùåñòâëÿåò ïðèçìà, ðàçëàãàþùàÿ â öâåòíîé ñïåêòð ñîëíå÷íûé ñâåò.

Ìîíîõðîìàòè÷åñêèå âîëíû, â òîì ÷èñëå è ñâåòîâûå, îäíîé è òîé æå ÷àñòîòû (ïðè îïðåäåë¸ííûõ óñëîâèÿõ!) ìîãóò âçàèìîäåéñòâîâàòü ìåæäó ñîáîé òàêèì îáðàçîì, ÷òî â ðåçóëüòàòå “ñâåò ïðåâðàòèòñÿ â òåìíîòó” èëè, êàê ãîâîðÿò, âîëíû ìîãóò èíòåðôåðèðîâàòü. Ïðè èíòåðôåðåíöèè ïðîèñõîäÿò ìåñòíûå “óñèëåíèÿ è ïîäàâëåíèÿ” âîëí äðóã äðóãîì. Äëÿ òîãî ÷òîáû êàðòèíà èíòåðôåðåíöèè âîëí îñòàâàëàñü íåèçìåííîé ñ òå÷åíèåì âðåìåíè (íàïðèìåð, ïðè ðàññìàòðèâàíèè å¸ ãëàçîì èëè ôîòîãðàôèðîâàíèè), íåîáõîäèìî, ÷òîáû âîëíû áûëè ìåæäó ñîáîé êîãåðåíòíû (äâå âîëíû êîãåðåíòíû ìåæäó ñîáîé, åñëè îíè äàþò óñòîé÷èâóþ êàðòèíó èíòåðôåðåíöèè, ÷åìó ñîîòâåòñòâóþò ðàâåíñòâà èõ ÷àñòîò è íåèçìåííûé ñäâèã ôàç).

Åñëè íà ïóòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëí ïîìåñòèòü ïðåïÿòñòâèÿ, òî îíè áóäóò ñóùåñòâåííî âëèÿòü íà íàïðàâëåíèå ðàñïðîñòðàíåíèÿ ýòèõ âîëí. Òàêèìè ïðåïÿòñòâèÿìè ìîãóò áûòü êðàÿ îòâåðñòèé â ýêðàíàõ, íåïðîçðà÷íûå ïðåäìåòû, à òàêæå ëþáûå äðóãèå âèäû íåîäíîðîäíîñòåé íà ïóòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëí.  ÷àñòíîñòè, íåîäíîðîäíîñòÿìè ìîãóò áûòü òàêæå è ïðîçðà÷íûå (äëÿ äàííîãî èçëó÷åíèÿ) ïðåäìåòû, íî îòëè÷àþùèåñÿ ïî êîýôôèöèåíòó ïðåëîìëåíèÿ, à çíà÷èò, è ïî ñêîðîñòè ïðîõîæäåíèÿ âîëí âíóòðè íèõ. ßâëåíèå èçìåíåíèÿ íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëí ïðè ïðîõîæäåíèè èõ âáëèçè ïðåïÿòñòâèé íàçûâàþò äèôðàêöèåé. Îáû÷íî äèôðàêöèÿ ñîïðîâîæäàåòñÿ èíòåðôåðåíöèîííûìè ÿâëåíèÿìè.

Ïðåäåë ìèêðîñêîïèè .

Èçîáðàæåíèå, ïîëó÷àåìîå ïðè ïîìîùè ëþáîé îïòè÷åñêîé ñèñòåìû, åñòü ðåçóëüòàò èíòåðôåðåíöèè ðàçëè÷íûõ ÷àñòåé ñâåòîâîé âîëíû, ïðîøåäøåé ÷åðåç ýòó ñèñòåìó.  ÷àñòíîñòè, èçâåñòíî, ÷òî îãðàíè÷åíèå ñâåòîâîé âîëíû âõîäíûì çðà÷êîì ñèñòåìû (êðàÿìè ëèíç, çåðêàë è äèàôðàãì, ñîñòàâëÿþùèõ îïòè÷åñêóþ ñèñòåìó) è ñâÿçàííîå ñ íèì ÿâëåíèå äèôðàêöèè ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ñâåòÿùàÿñÿ òî÷êà áóäåò èçîáðàæåíà â âèäå äèôðàêöèîííîãî êðóæêà. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî îãðàíè÷èâàåò âîçìîæíîñòü ðàçëè÷àòü ìåëêèå äåòàëè èçîáðàæåíèÿ, ôîðìèðóåìîãî îïòè÷åñêîé ñèñòåìîé. Èçîáðàæåíèå, íàïðèìåð, áåñêîíå÷íî óäàë¸ííîãî èñòî÷íèêà ñâåòà (çâåçäû) â ðåçóëüòàòå äèôðàêöèè íà êðóãëîì çðà÷êå (îïðàâå çðèòåëüíîé òðóáû), ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äîâîëüíî ñëîæíóþ êàðòèíó (ñì. ðèñ. 1). Íà ýòîé êàðòèíå ìîæíî óâèäåòü íàáîð êîíöåíòðè÷åñêèõ ñâåòëûõ è ò¸ìíûõ êîëåö. Ðàñïðåäåëåíèå îñâåù¸ííîñòåé, êîòîðîå ìîæíî çàôèêñèðîâàòü, åñëè äâèãàòüñÿ îò öåíòðà êàðòèíû ê å¸ êðàÿì, îïèñûâàåòñÿ äîâîëüíî ñëîæíûìè ôîðìóëàìè, êîòîðûå ïðèâîäÿòñÿ â êóðñàõ îïòèêè. Îäíàêî çàêîíîìåðíîñòè, ñâîéñòâåííûå ïîëîæåíèþ ïåðâîãî (îò öåíòðà êàðòèíû) ò¸ìíîãî êîëüöà, âûãëÿäÿò ïðîñòî. Îáîçíà÷èì ÷åðåç D äèàìåòð âõîäíîãî çðà÷êà îïòè÷åñêîé ñèñòåìû è ÷åðåç l äëèíó âîëíû ñâåòà, ïîñûëàåìîãî áåñêîíå÷íî óäàë¸ííûì èñòî÷íèêîì.

Ðèñ. 1. Äèôðàêöèîííîå èçîáðàæåíèå ñâåòÿùåéñÿ òî÷êè (òàê íàçûâàåìûé äèñê Ýéðè).

Åñëè îáîçíà÷èòü ÷åðåç j óãîë, ïîä êîòîðûì âèäåí ðàäèóñ ïåðâîãî ò¸ìíîãî êîëüöà, òî êàê äîêàçûâàåòñÿ â îïòèêå

sin j» 1,22*(l/D).

Òàêèì îáðàçîì, â ðåçóëüòàòå îãðàíè÷åíèÿ âîëíîâîãî ôðîíòà êðàÿìè îïòè÷åñêîé ñèñòåìû (âõîäíûì çðà÷êîì) âìåñòî èçîáðàæåíèÿ ñâåòÿùåéñÿ òî÷êè, ñîîòâåòñòâóþùåé áåñêîíå÷íî óäàëåííîìó îáúåêòó, ìû ïîëó÷àåì íàáîð äèôðàêöèîííûõ êîëåö. Åñòåñòâåííî, ÷òî ýòî ÿâëåíèå îãðàíè÷èâàåò âîçìîæíîñòü ðàçëè÷åíèÿ äâóõ áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà. Äåéñòâèòåëüíî, â ñëó÷àå äâóõ óäàëåííûõ èñòî÷íèêîâ, íàïðèìåð äâóõ çâåçä, ðàñïîëîæåííûõ î÷åíü áëèçêî äðóã ê äðóãó íà íåáåñíîì ñâîäå, â ïëîñêîñòè íàáëþäåíèÿ îáðàçóþòñÿ äâå ñèñòåìû êîíöåíòðè÷åñêèõ êîëåö. Ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ îíè ìîãóò ïåðåêðûâàòüñÿ, è ðàçëè÷åíèå èñòî÷íèêîâ ñòàíîâèòñÿ íåâîçìîæíûì. Íå ñëó÷àéíî ïîýòîìó â ñîîòâåòñòâèè ñ “ðåêîìåíäàöèåé” ôîðìóëû, ïðèâåäåííîé âûøå, ñòðåìÿòñÿ ñòðîèòü àñòðîíîìè÷åñêèå òåëåñêîïû ñ áîëüøèìè ðàçìåðàìè âõîäíîãî çðà÷êà. Ïðåäåë ðàçðåøåíèÿ, ïðè êîòîðîì ìîãóò íàáëþäàòüñÿ äâà áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ èñòî÷íèêà ñâåòà, îïðåäåëÿþò ñëåäóþùèì îáðàçîì: äëÿ îïðåäåëåííîñòè â êà÷åñòâå ïðåäåëà ðàçðåøåíèÿ ïðèíèìàþò òàêîå ïîëîæåíèå äèôðàêöèîííûõ èçîáðàæåíèé äâóõ òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà, ïðè êîòîðîì ïåðâîå ò¸ìíîå êîëüöî, ñîçäàâàåìîå îäíèì èç èñòî÷íèêîâ, ñîâïàäàåò ñ öåíòðîì ñâåòëîãî ïÿòíà, ñîçäàâàåìîãî äðóãèì èñòî÷íèêîì.

Ðèñ. 2. Êðèâàÿ ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè â äèôðàêöèîííîé êàðòèíå îò äâóõ òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà.

d ¾ ðàññòîÿíèå ìåæäó öåíòðàëüíûìè ìàêñèìóìàìè, M ¾ óâåëè÷åíèå îïòè÷åñêîé ñèñòåìû.

Íà ðèñ. 2 ïðèâåä¸í ãðàôèê, õàðàêòåðèçóþùèé ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè ñâåòà ïðè íàëîæåíèè äèôðàêöèîííûõ êàðòèí äâóõ áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà äëÿ ñëó÷àÿ, ñîîòâåòñòâóþùåãî êðèòåðèþ Ðåëåÿ. Ïî îñè àáñöèññ îòëîæåíà âåëè÷èíà, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ ðàññòîÿíèþ îò öåíòðà (ñì. ðèñ. 1). Ñïëîøíàÿ òîíêàÿ êðèâà õàðàêòåðèçóåò ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè ñâåòà, ñîçäàâàåìîå ïåðâûì èñòî÷íèêîì; ïóíêòèðíàÿ êðèâàÿ îòíîñèòñÿ êî âòîðîìó èç ðàçðåøàåìûõ èñòî÷íèêîâ. Ïåðâûå ìàêñèìóìû ïî âûñîòå (ò.å. èíòåíñèâíîñòè) çàìåòíî âûøå ïîñëåäóþùèõ, ñîîòâåòñòâóþùèõ èíòåíñèâíîñòè ñâåòà â êîëüöàõ, óäàë¸ííûõ îò öåíòðà (ñì. ðèñ. 1). Ñïëîøíàÿ òîëñòàÿ êðèâàÿ õàðàêòåðèçóåò ñóììàðíîå ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè ñâåòà.

Òåîðèÿ ïîêàçûâàåò, ÷òî â ñëó÷àå ðàçðåøåíèÿ ïî êðèòåðèþ Ðåëåÿ óãîë q, ïîä êîòîðûì âèäíû äâà èññëåäóåìûõ èñòî÷íèêà ñâåòà, ðàâåí:

q» 0,61*(l/D). ×àñòî èñïîëüçóåòñÿ âåëè÷èíà À, îáðàòíàÿ ïðåäåëüíîìó óãëó q:

À=(1/q)=D/(0,61*l),

íîñÿùàÿ íàçâàíèå ðàçðåøàþùåé ñèëû îïòè÷åñêîé ñèñòåìû.

Ïðèâåä¸ííûå îñíîâíûå çàêîíîìåðíîñòè îáóñëîâëåíû âîëíîâîé ïðèðîäîé ñâåòà è îãðàíè÷èâàþò âîçìîæíîñòü ðàçðåøåíèÿ èñòî÷íèêîâ ñ ïîìîùüþ ëþáûõ îïòè÷åñêèõ ñèñòåì, â òîì ÷èñëå â àñòðîíîìèè è ìèêðîñêîïèè. Ñëåäóåò ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ïðèâåä¸ííàÿ ôîðìóëà ñîîòâåòñòâóåò ñëó÷àþ ñàìîñâåòÿùèõñÿ îáúåêòîâ, ïîñûëàþùèõ íåêîãåðåíòíûå âîëíû. Êàê èçâåñòíî, ñ ïîìîùüþ ìèêðîñêîïîâ ÷àñòî ðàññìàòðèâàþò îáúåêòû, îñâåùàåìûå ïîñòîðîííèì èñòî÷íèêîì; ýòî çíà÷èò, ÷òî îòäåëüíûå òî÷êè îáúåêòà ðàññåèâàþò ñâåòîâûå âîëíû, èñõîäÿùèå èç îäíîé è òîé æå òî÷êè èñòî÷íèêà, è ñâåò, èäóùèé îò ðàçíûõ òî÷åê îáúåêòà, îêàçûâàåòñÿ ïîýòîìó â çíà÷èòåëüíîé ìåðå êîãåðåíòíûì. Îïðåäåëåíèå ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ìèêðîñêîïà â ñëó÷àå êîãåðåíòíîãî îñâåùåíèÿ, ïðîâîäèìîå ïî ìåòîäó Àááå, ïðèâîäèò ê àíàëîãè÷íîìó ðåçóëüòàòó (íåêîòîðîå ðàçëè÷èå â ÷èñëåííûõ êîýôôèöèåíòàõ íåñóùåñòâåííî, ïîñêîëüêó âîîáùå ïîíÿòèå ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè íåñêîëüêî óñëîâíî).

Ïðåäåëüíóþ ðàçðåøàþùóþ ñïîñîáíîñòü ìèêðîñêîïà ÷àñòî íàçûâàþò äèôðàêöèîííûì ïðåäåëîì, ïîñêîëüêó îíà îïðåäåëÿåòñÿ ÿâëåíèÿìè äèôðàêöèè íà âõîäíîì çðà÷êå. Ïðàâäà, ðÿä îñòðîóìíûõ óõèùðåíèé ïîçâîëèë “çàãëÿíóòü” íåñêîëüêî äàëüøå ýòîãî ïðåäåëà. Çäåñü ñëåäóåò óïîìÿíóòü ìåòîä, îñíîâàííûé íà ïðèìåíåíèè èììåðñèîííûõ ñèñòåì (â êîòîðîì ïðîñòðàíñòâî ìåæäó ïðåäìåòîì è îáúåêòèâîì çàïîëíÿåòñÿ ñïåöèàëüíûìè ñðåäàìè) è ïîçâîëÿþùèé ïîâûñèòü ðàçðåøàþùóþ ñïîñîáíîñòü ïðèìåðíî â 1,5 ðàçà; ìåòîä ò¸ìíîãî ïîëÿ, îñíîâàííûé íà ÿâëåíèè ðàññåÿíèÿ ñâåòà íà ìàëûõ ÷àñòèöàõ è ïîçâîëÿþùèé ðåãèñòðèðîâàòü íàëè÷èå ñâåðõìàëûõ ÷àñòèö, êîãäà èõ ðàçìåðû ëåæàò çà ïðåäåëîì ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ìèêðîñêîïà; ìåòîä ôàçîâîãî êîíòðàñòà, ïðè ïîìîùè êîòîðîãî ìîæíî èçó÷àòü ïîëíîñòüþ ïðîçðà÷íûå îáúåêòû.

Íåâèäèìûå èçëó÷åíèÿ.

Ïîëüçóÿñü ñîâðåìåííûì ÿçûêîì òåîðèè èíôîðìàöèè, ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî çà ïîïûòêó ïðîíèêíóòü çà äèôðàêöèîííûé ïðåäåë ïðèõîäèòñÿ ïëàòèòü öåíîé ïîòåðè èíôîðìàöèè î äåòàëÿõ èçó÷àåìîãî îáúåêòà. Äåéñòâèòåëüíî, ìåòîäû ñóáìèêðîñêîïèè ïîçâîëÿþò ëèøü ñóäèòü î íàëè÷èè ìèêðîîáúåêòîâ â ïîëå çðåíèÿ ìèêðîñêîïà, íî íå îá èõ ôîðìå è äðóãèõ äåòàëÿõ.

Âåñüìà çàìåòíûé êà÷åñòâåííûé ñêà÷îê â ìåòîäàõ ìèêðîñêîïèè áûë ñäåëàí ôèçèêàìè, êîòîðûå ñòàëè èñïîëüçîâàòü â ìèêðîñêîïèè èíôðàêðàñíîå, óëüòðàôèîëåòîâîå è äðóãèå íåâèäèìûå ãëàçîì èçëó÷åíèÿ. Ïðèìåíåíèå ýòèõ èçëó÷åíèé äëÿ îñâåùåíèÿ îáúåêòîâ íàáëþäåíèÿ áûëî ñâÿçàíî ñ èõ ñïîñîáíîñòüþ ïîãëîùàòü, îòðàæàòü, ïðîïóñêàòü è ïðåëîìëÿòü ïàäàþùåå íà íèõ èçëó÷åíèå. Ïîýòîìó, âîîáùå ãîâîðÿ, ïðè èñïîëüçîâàíèè èçëó÷åíèé ðàçëè÷íûõ ó÷àñòêîâ ñïåêòðà ýòè îáúåêòû âûãëÿäÿò ïî-ðàçíîìó. Ñëåäîâàòåëüíî, ïîäáèðàÿ ñîîòâåòñòâóþùåå îñâåùåíèå, ìîæíî ïîëó÷èòü íîâóþ èíôîðìàöèþ î ïðåäìåòå, òàê êàê õàðàêòåðèñòèêè ïîãëîùåíèÿ, îòðàæåíèÿ, ïðîïóñêàíèÿ è ïðåëîìëåíèÿ ðåàëüíûõ íåîðãàíè÷åñêèõ è îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ çàâèñÿò îò äëèíû âîëíû.

Íàðÿäó ñ ýòèì ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî èñïîëüçîâàíèå â ìèêðîñêîïèè óëüòðàôèîëåòîâîãî èçëó÷åíèÿ (áîëåå êîðîòêîâîëíîâîãî ïî ñðàâíåíèþ ñ âèäèìûì) ïîçâîëèëî ïîâûñèòü ïðåäåë ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ìèêðîñêîïà. Ýòî ëåãêî ïîíÿòü, åñëè âñïîìíèòü, ÷òî òåîðåòè÷åñêèé ïðåäåë ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ïðîïîðöèîíàëåí äëèíå âîëíû èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ. Åñëè ïðè l» 5200 ¾ 5800 A° (æ¸ëòî-çåë¸íàÿ îáëàñòü, ãäå ãëàç îáëàäàåò íàèáîëüøåé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ) òåîðåòè÷åñêèé ïðåäåë ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ïðè n=1 (ãäå n - ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ) ñîñòàâëÿåò îêîëî 2000 A°, òî ïðè èñïîëüçîâàíèè óëüòðàôèîëåòîâîãî èçëó÷åíèÿ (l» 3000 A°) òåîðåòè÷åñêèé ïðåäåë ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè äîñòèãàåò ïðèìåðíî 1200A°. ßñíî, ÷òî â òàêèõ óëüòðàôèîëåòîâûõ ìèêðîñêîïàõ èñïîëüçóþòñÿ ñïåöèàëüíûå îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû.

Âñå ïðèáîðû, èñïîëüçóþùèå íåâèäèìûå ãëàçîì èçëó÷åíèÿ, ñîñòîÿò èç îñâåòèòåëÿ (èñòî÷íèêà îñâåùåíèÿ), îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ (ëèíç, çåðêàë, ïðèçì è ò. ï.), ïðèãîäíûõ äëÿ ðàáîò â äàííîì ó÷àñòêå ñïåêòðà, è ýëåìåíòîâ, ïðåîáðàçóþùèõ “íåâèäèìîå èçîáðàæåíèå” â âèäèìîå.  ïîñëåäíåå âðåìÿ ñòàëè óñïåøíî èñïîëüçîâàòü äëÿ ïîëó÷åíèÿ èíôîðìàöèè î ñòðîåíèè îáúåêòîâ ðàäèîèçëó÷åíèå (ìèëëèìåòðîâîãî è ñóáìèëëèìåòðîâîãî), äëèíû âîëí êîòîðîãî çíà÷èòåëüíî áîëüøå äëèí âîëí âèäèìîãî èçëó÷åíèÿ.

Îñòàíîâèìñÿ íåñêîëüêî ïîäðîáíåå íà íåêîòîðûõ îáùèõ ôèçè÷åñêèõ çàêîíîìåðíîñòÿõ, ñâîéñòâåííûõ ïîëó÷åíèþ èçîáðàæåíèÿ â ìèêðîñêîïèè.

Ïîëó÷åíèå áîëüøîãî óâåëè÷åíèÿ â ïðèíöèïå îñóùåñòâèìî ïóò¸ì èñïîëüçîâàíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Îäíàêî åñëè ïðåäåë ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ïðèáîðà óæå äîñòèãíóò è äåòàëè èçîáðàæåíèÿ íåëüçÿ ðàçëè÷èòü, òî äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå èññëåäóåìîãî ïðåäìåòà òåðÿåò ïðàêòè÷åñêèé ñìûñë. Ïîýòîìó ñóùåñòâóåò òåðìèí “ïîëåçíîå óâåëè÷åíèå ìèêðîñêîïà”. Ñ âîïðîñîì óâåëè÷åíèÿ ñâÿçàí òàêæå è âîïðîñ îá èñêàæåíèÿõ â ìèêðîñêîïå (êàê è â äðóãèõ îïòè÷åñêèõ ïðèáîðàõ). Ýòè èñêàæåíèÿ âîçíèêàþò èç-çà îòêëîíåíèÿ îïòè÷åñêèõ ïîâåðõíîñòåé ýëåìåíòîâ (ëèíç è ò. ï.) îò èäåàëüíîé ôîðìû, íåòî÷íîãî ðàñïîëîæåíèÿ ýëåìåíòîâ è ò. ï. Êðîìå ýòîãî, èñêàæåíèÿ (õðîìàòè÷åñêàÿ àáåððàöèÿ) âîçíèêàþò è èç-çà çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïðåëîìëåíèÿ ìàòåðèàëîâ, èç êîòîðûõ èçãîòàâëèâàþòñÿ îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû, îò äëèíû âîëíû ñâåòà (äèñïåðñèè ñâåòà â ìàòåðèàëàõ). Òàêèì îáðàçîì, ìû âèäèì, ÷òî “ïðîíèêíóòü ãëóáæå” â ìèð ìàëûõ îáúåêòîâ ïóò¸ì èñïîëüçîâàíèÿ áîëüøèõ óâåëè÷åíèé íåëüçÿ. È òîëüêî èñïîëüçîâàíèå áîëåå êîðîòêîâîëíîâûõ èçëó÷åíèé, ò. å. èçëó÷åíèé ñ ìåíüøèìè äëèíàìè âîëí, ÷åì ó âèäèìîãî ñâåòà, äîëæíî â ïðèíöèïå ïðèâåñòè ê ïîâûøåíèþ ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè. Òåì ñàìûì ïðåñëîâóòûé äèôðàêöèîííûé ïðåäåë ìîæåò áûòü “îòîäâèíóò”, è îòêðûâàåòñÿ âîçìîæíîñòü íàáëþäåíèÿ è èññëåäîâàíèÿ íîâûõ êëàññîâ íåâèäèìûõ îáúåêòîâ è íîâûõ äåòàëåé óæå èçâåñòíûõ îáúåêòîâ.

Áîëüøèå íàäåæäû âîçëàãàëèñü è âîçëàãàþòñÿ íà äèàïàçîí ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé (íåêîãäà òàèíñòâåííûõ X- ëó÷åé). Íàïîìíèì, ÷òî ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå, ñîçäàâàåìîå â ðåíòãåíîâñêèõ òðóáêàõ ïóòåì ðàçãîíà ýëåêòðîíîâ ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì è èõ ïîñëåäóþùåãî òîðìîæåíèÿ íà ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîì ýëåêòðîäå (àíòèêàòîäå), òàê æå êàê è âèäèìûé ñâåò, ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûì èçëó÷åíèåì. Îíî õàðàêòåðèçóåòñÿ äëèíàìè âîëí íà ÷åòûðå-ïÿòü ïîðÿäêîâ ìåíüøèìè, ÷åì ó âèäèìîãî ñâåòà. Íàïðèìåð, â ìåäèöèíñêîé äèàãíîñòèêå ïðèìåíÿåòñÿ ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå ñ l»0,17 ¾ 0,10A°, à ïðè ïðîñâå÷èâàíèè ìàòåðèàëîâ (òîëñòûå ñòàëüíûå è äðóãèå èçäåëèÿ) ¾ ñ l» 0,05 A°. Îòñþäà âèäíî, ÷òî èñïîëüçîâàíèå ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ â îáû÷íîì îïòè÷åñêîì ìèêðîñêîïå âìåñòî âèäèìîãî ìîãëî áû äàòü ñîîòâåòñòâóþùåå, ëåãêî îöåíèâàåìîå òåîðåòè÷åñêè ïîâûøåíèå ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ïðèáîðà.

Âîñïîëüçóåìñÿ ôîðìóëîé äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïðåäåëà ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ïðèáîðà d»(0,61*l)/(n*sinj). Äëÿ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé êîýôôèöèåíò ïðåëîìëåíèÿ n ñðåäû î÷åíü áëèçîê ê åäèíèöå. Ïîýòîìó, åñëè âîñïîëüçîâàòüñÿ ðåíòãåíîâñêèì èçëó÷åíèåì ñ l» 0,1A° (ýòî ñîîòâåòñòâóåò óñêîðÿþùåìó íàïðÿæåíèþ îêîëî 120 êâ.), òî äèôðàêöèîííûé ïðåäåë ñîñòàâèò ïðèáëèçèòåëüíî 0,05A°. Îäíàêî íà ïóòè ðåàëèçàöèè òàêîé çàìàí÷èâîé âîçìîæíîñòè ñóùåñòâóþò ïðèíöèïèàëüíûå òðóäíîñòè, ñâÿçàííûå ñ îñîáåííîñòÿìè ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ è åãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñ âåùåñòâîì. Ïåðâàÿ è íàèáîëåå ñóùåñòâåííàÿ òðóäíîñòü çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî ôîêóñèðîâàòü, ïîëó÷àòü èõ çåðêàëüíîå îòðàæåíèå, à òàêæå äðóãèå ÿâëåíèÿ, ëåæàùèå â îñíîâå ïðîöåññà ôîðìèðîâàíèÿ èçîáðàæåíèé â îïòè÷åñêîé ìèêðîñêîïèè. Äëÿ ñîçäàíèÿ ëèíç, ïðèçì è äðóãèõ ïîäîáíûõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â ýòîì ñëó÷àå íóæíû ìàòåðèàëû ñ êîýôôèöèåíòîì ïðåëîìëåíèÿ, áîëüøèì åäèíèöû. Èç-çà îñîáåííîñòåé âçàèìîäåéñòâèÿ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé ñ âåùåñòâîì (ìû çäåñü íå áóäåì êàñàòüñÿ ïîäðîáíîñòåé ýòîãî âîïðîñà) êîýôôèöèåíò ïðåëîìëåíèÿ èõ ïðàêòè÷åñêè âî âñåõ ìàòåðèàëàõ áëèçîê ê åäèíèöå, à òî÷íåå - íåñêîëüêî ìåíüøå åäèíèöû. Äàæå ëó÷øèå ïîëèðîâàííûå ïîâåðõíîñòè íå ìîãóò îáåñïå÷èòü çåðêàëüíîãî îòðàæåíèÿ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé (äëèíû âîëí ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ ïðàêòè÷åñêè âñåãäà ìåíüøå ñðåäíèõ ðàçìåðîâ íåîäíîðîäíîñòåé ïîâåðõíîñòè). Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî ïðåïÿòñòâóåò ñîçäàíèþ çåðêàëüíîãî ðåíòãåíîâñêîãî ìèêðîñêîïà.

Íåñìîòðÿ íà ïåðå÷èñëåííûå çàòðóäíåíèÿ, â ÑÑÑÐ è çà ãðàíèöåé áûëè óñïåøíî ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû â îáëàñòè ðåíòãåíîâñêîé ìèêðîñêîïèè, èñïîëüçóÿ íåêîòîðûå ñïåöèàëüíûå ïðèåìû. Ïðàâäà, ðåçóëüòàòû ýòèõ ðàáîò ïîêà íå ïîëó÷èëè òåõíè÷åñêîé ðåàëèçàöèè. Êðîìå òîãî, îíè â íàñòîÿùåå âðåìÿ íå äàþò âîçìîæíîñòè íàäåÿòüñÿ íà êàêîå-ëèáî ïðîäâèæåíèå â ñòîðîíó äèôðàêöèîííîãî ïðåäåëà, ñîîòâåòñòâóþùåãî äèàïàçîíó ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ. Âìåñòå ñ òåì ïðîáëåìà ðåíòãåíîâñêîé ìèêðîñêîïèè ÿâëÿåòñÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàñòîëüêî àêòóàëüíîé, ÷òî â òåõíèêå ïîëó÷èëè ðàçâèòèå íåêîòîðûå “îáõîäíûå” ïðèåìû, îñíîâûâàþùèåñÿ íà ñî÷åòàíèè ìåòîäîâ ðåíòãåíîâñêîé ïðîåêöèè ñ ðàäèîòåõíè÷åñêèìè (â òîì ÷èñëå òåëåâèçèîííûìè) óñòðîéñòâàìè, ïîçâîëÿþùèìè ïîëó÷èòü äîïîëíèòåëüíîå óâåëè÷åíèå (10¸30*) è ïðèåìëåìîå ðàçðåøåíèå (ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ìèêðîí). È õîòÿ ýòî ÷ðåçâû÷àéíî äàëåêî îò ïîòåíöèàëüíûõ âîçìîæíîñòåé ðåíòãåíîâñêîé ìèêðîñêîïèè, ïîäîáíûå óñòðîéñòâà íàõîäÿò ïðèìåíåíèå â íàóêå è òåõíèêå.

Ýëåêòðîíû è ýëåêòðîííàÿ îïòèêà.

Ïîäëèííàÿ ðåâîëþöèÿ â ìèêðîñêîïèè ïðîèçîøëà â 20-õ ãîäàõ íàøåãî âåêà, êîãäà âîçíèêëà èäåÿ èñïîëüçîâàòü â íåé ïîòîêè ÷àñòèö - ýëåêòðîíîâ. Íà îñíîâå ýòîé èäåè âîçíèêëà è áûñòðî ðàçâèëàñü íîâàÿ îáëàñòü íàóêè ? ýëåêòðîííàÿ ìèêðîñêîïèÿ, ïîçâîëèâøàÿ îñóùåñòâèòü íàèáîëåå ãëóáîêèé ïðîðûâ â îáëàñòè âèäåíèÿ è èçó÷åíèÿ ñâåðõìàëûõ îáúåêòîâ.

Ìû ïðèâûêëè ê òîìó, ÷òî âèäåíèå îáúåêòà, ôîðìèðîâàíèå åãî èçîáðàæåíèÿ ñâÿçàíû ñ ïîñòóïëåíèåì â ïðèáîð (à â êîíå÷íîì ñ÷¸òå â ãëàç) ñâåòîâûõ âîëí îò ýòîãî ïðåäìåòà, òîãî, ÷òî ìû íàçûâàåì èçëó÷åíèåì. Êàê æå ìîæíî ïîëó÷èòü èçîáðàæåíèå îáúåêòà, ïðè÷¸ì äàæå ñ ãîðàçäî áîëåå âûñîêîé ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòüþ, èñïîëüçóÿ íå ñâåòîâîå èçëó÷åíèå, à ïîòîê ýëåêòðîíîâ? Äðóãèìè ñëîâàìè, êàê âîçìîæíî âèäåíèå ïðåäìåòîâ íà îñíîâå èñïîëüçîâàíèÿ íå âîëí, à ÷àñòèö?

Çàáåãàÿ íåñêîëüêî âïåðåä, ñêàæåì, ÷òî ýëåêòðîíû ïðîÿâëÿþò âîëíîâûå ñâîéñòâà îòíþäü íå â ìåíüøåé ìåðå, ÷åì “íàñòîÿùèå”, ïðèâû÷íûå âîëíû, íàïðèìåð, ðàäèî èëè ñâåòîâûå. Íî îá ýòîì íèæå... Âìåñòå ñ òåì ýëåêòðîíû âåäóò ñåáÿ êàê íàñòîÿùèå ÷àñòèöû, îáëàäàþùèå ìàññîé, òðàåêòîðèåé äâèæåíèÿ, ýíåðãèåé è äðóãèìè ñâîéñòâàìè, ïðèñóùèìè ðàçëè÷íûì ïðåäìåòàì. Òàê â ïåðâóþ î÷åðåäü âåäóò ñåáÿ ýëåêòðîíû âî ìíîãèõ ïðèáîðàõ è óñòðîéñòâàõ, øèðîêî ïðèìåíÿþùèõñÿ íå òîëüêî â íàóêå è òåõíèêå, íî è â áûòó ¾ â ýëåêòðîííûõ ëàìïàõ, êèíåñêîïàõ è äðóãèõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðàõ ðàäèîïðè¸ìíèêîâ è òåëåâèçîðîâ.

Ñîâðåìåííàÿ ôèçèêà âåñüìà ïîäðîáíî çíàåò “àíêåòíûå äàííûå” ýëåêòðîíà. Ýòî îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííàÿ ÷àñòèöà (e=4,8e-10 CGSE) ñ ìàññîé 9,1e-28 ã, íî ôèçèêè òùàòåëüíî îáõîäÿò âîïðîñû, êîòîðûå èíîãäà õî÷åòñÿ çàäàòü ÷ðåçìåðíî ëþáîïûòíûì, íàïðèìåð î ôîðìå ýëåêòðîíà, à î åãî ðàçìåðàõ îáû÷íî ãîâîðÿò ñ îãîâîðêàìè. Çâó÷èò ýòà îãîâîðêà ïðèìåðíî òàê: “êëàññè÷åñêèé ðàäèóñ ýëåêòðîíà ñîñòàâëÿåò ~ 10­-13 ñì, à â ðàìêàõ ðåëÿòèâèñòñêîé òåîðèè ýòî âîîáùå òî÷å÷íàÿ ÷àñòèöà”. Åñëè íå êàñàòüñÿ îïðåäåë¸ííîé ãðóïïû ñèòóàöèé, â êîòîðûõ ýëåêòðîíû âåäóò ñåáÿ íå ïî ïðàâèëàì “çäðàâîãî ñìûñëà” (îá ýòîì íèæå), òî ýòî ÷àñòèöû, ïîâåäåíèå êîòîðûõ ìîæíî îïèñàòü è âåñüìà òî÷íî ðàññ÷èòàòü ïî çàêîíàì ìåõàíèêè è òåîðèè ýëåêòðîìàãíåòèçìà, êàê è ëþáîãî äðóãîãî îáúåêòà. Ïðàâäà, â ýòèõ ñëó÷àÿõ, ò. å. òîãäà, êîãäà åù¸ íå ïðîÿâëÿþòñÿ çàêîíîìåðíîñòè òàê íàçûâàåìîé êâàíòîâîé ìåõàíèêè, ïðèõîäèòñÿ ó÷èòûâàòü ïðîÿâëåíèå ýôôåêòîâ òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè (ðåëÿòèâèñòñêèõ ýôôåêòîâ) è â ïåðâóþ î÷åðåäü âîçðàñòàíèå ìàññû ýëåêòðîíà ñ ðîñòîì ñêîðîñòè åãî äâèæåíèÿ.

Âî ìíîãèõ ïðàêòè÷åñêèõ ïðèìåíåíèÿõ ýëåêòðîííûõ ïîòîêîâ, íàïðèìåð â âàêóóìíûõ ïðèáîðàõ, ýëåêòðîíû âåäóò ñåáÿ êàê âïîëíå “íîðìàëüíûå” ÷àñòèöû. Ïîä äåéñòâèåì èçâåñòíîé ñèëû, íàïðèìåð, ñîçäàâàåìîé ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì ìåæäó ýëåêòðîäàìè, ýëåêòðîí ïðèîáðåòàåò óñêîðåíèå, ïðîïîðöèîíàëüíîå ñèëå è îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíîå åãî ìàññå. Äâèæóùèåñÿ ïîòîêè ýëåêòðîíîâ ýêâèâàëåíòíû ýëåêòðè÷åñêèì òîêàì, ïîýòîìó ìîãóò ýôôåêòèâíî âçàèìîäåéñòâîâàòü ñ âíåøíèìè ìàãíèòíûìè ïîëÿìè. Òàêèì îáðàçîì, ýëåêòðè÷åñêèå è ìàãíèòíûå ïîëÿ ìîãóò ñóùåñòâåííî âëèÿòü íà òðàåêòîðèè è ñêîðîñòè ýëåêòðîííûõ ïîòîêîâ, è ñ ïîìîùüþ òàêèõ ïîëåé ìîæíî óïðàâëÿòü äâèæåíèåì ýëåêòðîíîâ. Íàóêà, çàíèìàþùàÿñÿ íàõîæäåíèåì òðàåêòîðèé äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ â ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëÿõ, à òàêæå ðàñ÷¸òîì ýëåìåíòîâ è óñòðîéñòâ, ñïîñîáíûõ ôîðìèðîâàòü íóæíûå ïîëÿ, íàçûâàåòñÿ ýëåêòðîííîé îïòèêîé (îáðàòèòå âíèìàíèå ¾ ýëåêòðîííîé îïòèêîé ).

Áîëåå ïîäðîáíûé àíàëèç àíêåòíûõ äàííûõ ýëåêòðîíà îáíàðóæèâàåò íåîáû÷íîñòü ðÿäà åãî ñâîéñòâ. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè ïîäõîäèòü ê ýëåêòðîíó ñ îáû÷íûìè ìåðêàìè è ñ÷èòàòü, ÷òî îí çàíèìàåò îáú¸ì V è îáëàäàåò ìàññîé m, òî “ïëîòíîñòü âåùåñòâà â ýëåêòðîíå” r»(m/V)=(9,1e-28)/(4/3*p*r­3)»10­11 ã/ñì­3 (!). Çäåñü ìû ñ÷èòàåì ýëåêòðîí øàðèêîì ñ ðàäèóñîì r ïîðÿäêà 10­-13 ñì. Ìàññà, çàðÿä è íåêîòîðûå äðóãèå ïîñòîÿííûå, õàðàêòåðèçóþùèå ýëåêòðîíû, èçâåñòíû óæå ñ âåñüìà âûñîêîé òî÷íîñòüþ. Âîïðîñ î òîì, êàêèì îáðàçîì ýëåêòðîí óäåðæèâàåòñÿ êàê öåëîå è íå ðàçëåòàåòñÿ ïîä äåéñòâèåì ñèë ðàñòàëêèâàíèÿ, âûõîäèò äàëåêî çà ðàìêè ýòîãî ðåôåðàòà¼

Åñëè ïðåäìåòàì, ñ êîòîðûìè ìû èìååì äåëî â ïîâñåäíåâíîé æèçíè, äîñòàòî÷íî òðóäíî ñîîáùèòü áîëüøóþ ñêîðîñòü (íàïðèìåð, ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó), òî ýëåêòðîí äàæå â ïîëå ñ U=1 ïðèîáðåòàåò ñêîðîñòü V=(2*e/m*U)­0,5»6e7 ñì/ñåê. Òàêèì îáðàçîì, ýëåêòðîíû ëåã÷å ðàçîãíàòü äî áîëüøèõ ñêîðîñòåé, ÷åì “îñòàíîâèòü”, ò. å. çàñòàâèòü íàõîäèòüñÿ â ïîêîå. Ýëåêòðîíû â îáû÷íîé ìåäèöèíñêîé ðåíòãåíîâñêîé òðóáêå òîðìîçÿòñÿ â ïîâåðõíîñòíîì ñëîå àíòèêàòîäà, ïðîõîäÿ ïðè ýòîì ïóòü â íåñêîëüêî àíãñòðåì. Îòðèöàòåëüíîå óñêîðåíèå íà ïóòè s (íàïðèìåð, ïðè U»100 êâ.) ïðè ýòîì áóäåò âåñüìà âåëèêî:

w»(v­2)/(2*s)»10­23 ñì/ñåê­2 (!).

Íàêîíåö, óêàæåì, ÷òî, êàê ïðàâèëî, â íàøèõ ïðèáîðàõ äëÿ èõ íîðìàëüíîé ðàáîòû íåîáõîäèì ýëåêòðîííûé ïîòîê, ñîäåðæàùèé âíóøèòåëüíîå ÷èñëî ÷àñòèö (íàïðèìåð, ýëåêòðîííîìó òîêó â 1A ñîîòâåòñòâóåò ïîòîê ýëåêòðîíîâ â 10­19 ÷àñòèö â ñåêóíäó!).

Èòàê, ïîëîæåíèå ñ ýëåêòðîíàìè âûãëÿäèò ñâîåîáðàçíî:

    1. åñòü îáúåêò, êîòîðûì ìû óìååì óïðàâëÿòü è ñâîéñòâà êîòîðîãî íàó÷èëèñü èñïîëüçîâàòü;
    2. ìû äîñòàòî÷íî õîðîøî çíàåì ñâîéñòâà ýòîãî îáúåêòà è íàó÷èëèñü ïðîâîäèòü èçìåðåíèå äàæå òî÷íåå, ÷åì äëÿ ìíîãèõ äðóãèõ îáúåêòîâ, ñ êîòîðûìè âñòðå÷àåìñÿ â ïîâñåäíåâíîé æèçíè è êîòîðûå ìîæåì âèäåòü íåâîîðóæ¸ííûì ãëàçîì;
    3. íèêòî íèêîãäà íå âèäåë ýëåêòðîíîâ, íî âñå çíàêîìû ñ ðåçóëüòàòàìè åãî äåéñòâèé;
    4. ñ òî÷êè çðåíèÿ “çäðàâîãî ñìûñëà” è íà îñíîâå ñîïîñòàâëåíèÿ ðåçóëüòàòîâ î÷åíü õîðîøî ïîñòàâëåííûõ ýêñïåðèìåíòîâ ýëåêòðîí ÿâëÿåòñÿ äàëåêî íå òðèâèàëüíûì îáúåêòîì: ïëîòíîñòü ýëåêòðîííîãî âåùåñòâà ôàíòàñòè÷åñêè âåëèêà, îí ÿâëÿåòñÿ ñâåðõ ïðî÷íûì îáúåêòîì, ñïîñîáíûì “ïðîòèâîñòîÿòü” äåéñòâèþ ñâåðõáîëüøèõ èíåðöèàëüíûõ è ýëåêòðè÷åñêèõ (êóëîíîâñêèõ) ñèë.

Ýëåêòðîíû ¾ âîëíû!?

Íå÷åãî óäèâëÿòüñÿ, ÷òî ñòîëü “ñòðàííàÿ ëè÷íîñòü”, êàêîé ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîí, âåä¸ò ñåáÿ óæå ñîâñåì íåîáû÷íî â ðÿäå ñèòóàöèé. Ýòè ñèòóàöèè ïðîÿâëÿþòñÿ, âî-ïåðâûõ, òîãäà, êîãäà ýëåêòðîíîâ ìíîãî èëè âåðíåå, êîãäà èõ ìíîãî â åäèíèöå îáú¸ìà è, âî-âòîðûõ, êîãäà ýëåêòðîíû âçàèìîäåéñòâóþò ñ àòîìàìè è ìîëåêóëàìè âåùåñòâà. Ýòè è ðÿä äðóãèõ ñèòóàöèé õàðàêòåðíû äëÿ ÿâëåíèé, ðàññìàòðèâàåìûõ êâàíòîâîé ìåõàíèêîé. Èç ýòîé óäèâèòåëüíîé îáëàñòè ìû óïîìÿíåì òîëüêî òî, ÷òî â ðÿäå ñèòóàöèé ýëåêòðîí âåä¸ò ñåáÿ êàê âîëíà. ×òî ýòî çíà÷èò?

Ìû çíàåì, ÷òî, íàïðèìåð, ñâåòîâûå âîëíû ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ ïðîñòðàíñòâåííîé ïåðèîäè÷åñêîé ñòðóêòóðîé ïðåòåðïåâàþò äèôðàêöèþ. Òî÷íî òàê æå ïðè ñîáëþäåíèè îïðåäåë¸ííûõ óñëîâèé âîëíû ìîãóò èíòåðôåðèðîâàòü. Àíàëîãè÷íûå ñâîéñòâà íàáëþäàþòñÿ ó ýëåêòðîíîâ. Òàê, íàïðèìåð, â îïðåäåë¸ííûõ óñëîâèÿõ ýëåêòðîííûé ïîòîê, âçàèìîäåéñòâóþùèé ñ ïåðèîäè÷åñêîé ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðîé êðèñòàëëà, îáðàçóåò äèôðàêöèîííóþ êàðòèíó, êîòîðóþ ìîæíî çàôèêñèðîâàòü íà ôîòîïëàñòèíêå. Èçâåñòíî áîëüøîå ÷èñëî ôàêòîâ, êîãäà ýëåêòðîíû ïðîÿâëÿþò âîëíîâûå ñâîéñòâà. Áîëåå òîãî, ñîâåòñêèå ó÷¸íûå Â. Ôàáðèêàíò, Ë. Áèáåðìàí è Í. Ñóøêèí ïðîäåìîíñòðèðîâàëè âîëíîâûå ñâîéñòâà îòäåëüíûõ ýëåêòðîíîâ!

Èòàê, àíêåòíûå äàííûå ýëåêòðîíà âûãëÿäÿò ñòðàííî è íåîáû÷íî.

Íå âäàâàÿñü â òîíêîñòè âîïðîñà î âîëíîâûõ ñâîéñòâàõ ýëåêòðîíîâ (êàê è äðóãèõ ìèêðî÷àñòèö!), ñêàæåì, ÷òî ýëåêòðîíó, äâèæóùåìóñÿ ñî ñêîðîñòüþ v(ñì/ñåê), ñîîòâåòñòâóåò äëèíà âîëíû l=h/(m*v), ãäå m ¾ ìàññà ýëåêòðîíà, à h= 6,6e-27 ýðã*ñåê ¾ çíàìåíèòàÿ êîíñòàíòà Ïëàíêà.

Òàê êàê v=(2*e/m*U), òî l=(12,25/U­0,5)A°; çäåñü U âûðàæåíî â êèëîâîëüòàõ.

Òàê, íàïðèìåð, ïðè U=100 êâ. l=0,037 A°. Òàêèì îáðàçîì, åñëè èñïîëüçîâàòü ýëåêòðîíû â ìèêðîñêîïèè, òî äèôðàêöèîííûé ïðåäåë, îáóñëîâëåííûé âîëíîâûìè ñâîéñòâàìè ýëåêòðîíîâ, ëåæèò çíà÷èòåëüíî äàëüøå, ÷åì â îïòè÷åñêîé ìèêðîñêîïèè. À òàê êàê ýëåêòðîíàìè ìîæíî óïðàâëÿòü ñ ïîìîùüþ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëåé, òî ýëåêòðîííàÿ îïòèêà ïîçâîëÿåò íàì çàðàíåå ðàññ÷èòûâàòü òàêèå ñèñòåìû ôîðìèðîâàíèÿ ýòèõ ïîëåé, êîòîðûå ñïîñîáíû ôîêóñèðîâàòü ïîòîêè ýëåêòðîíîâ, óïðàâëÿòü ýëåêòðîííûìè ëó÷àìè è ñîâåðøàòü äðóãèå íåîáõîäèìûå äåéñòâèÿ.

 íàøåì ðàñïîðÿæåíèè òàêæå èìåþòñÿ ëþìèíåñöåíòíûå ýêðàíû, êîòîðûå ñâåòÿòñÿ ïðè ïîïàäàíèè íà èõ ïîâåðõíîñòü ýëåêòðîíîâ (âñïîìíèì ðàáîòó êèíåñêîïà â òåëåâèçîðå!); ïðè ïîïàäàíèè ýëåêòðîíîâ íà ôîòîïëàñòèíêó ïðîèñõîäèò ôîòîëèòè÷åñêîå ïî÷åðíåíèå. Ñóùåñòâóþò è äðóãèå ñïîñîáû ðåãèñòðàöèè ýëåêòðîíîâ. Íàïîìíèì, ÷òî ýëåêòðîíû ñïîñîáíû, êðîìå òîãî, ïðîíèêàòü ñêâîçü òîíêèå ñëîè ìàòåðèàëîâ, îòðàæàòüñÿ è ðàññåèâàòüñÿ ìàòåðèàëàìè. Ýòè ñâîéñòâà ýëåêòðîíîâ è èõ âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ïîëÿìè è èññëåäóåìûì âåùåñòâîì ëåæàò â îñíîâå ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè. Ðàññìîòðèì ñõåìû è îñîáåííîñòè óñòðîéñòâà ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïîâ.

Óñòðîéñòâî ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà.

Êàê æå óñòðîåí ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï?  ÷¸ì åãî îòëè÷èå îò îïòè÷åñêîãî ìèêðîñêîïà, ñóùåñòâóåò ëè ìåæäó íèìè êàêàÿ-íèáóäü àíàëîãèÿ?

 îñíîâå ðàáîòû ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà (îáùèé âèä åãî ïðèâåä¸í íà ðèñ. 3) ëåæèò ñâîéñòâî íåîäíîðîäíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëåé, îáëàäàþùèõ âðàùàòåëüíîé ñèììåòðèåé, îêàçûâàòü íà ýëåêòðîííûå ïó÷êè ôîêóñèðóþùåå äåéñòâèå. Òàêèì îáðàçîì, ðîëü ëèíç â ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå èãðàåò ñîâîêóïíîñòü ñîîòâåòñòâóþùèì îáðàçîì ðàññ÷èòàííûõ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëåé; ñîîòâåòñòâóþùèå óñòðîéñòâà, ñîçäàþùèå ýòè ïîëÿ, íàçûâàþò “ýëåêòðîííûìè ëèíçàìè”.  çàâèñèìîñòè îò âèäà ýëåêòðîííûõ ëèíç ýëåêòðîííûå ìèêðîñêîïû äåëÿòñÿ íà ìàãíèòíûå, ýëåêòðîñòàòè÷åñêèå è êîìáèíèðîâàííûå.

Ðèñ. 3. Ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï EM8 ôèðìû ÀÅÑ-Öåéññ.

Êàêîãî æå òèïà îáúåêòû ìîãóò áûòü èññëåäîâàíû ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà? Òàê æå êàê è â ñëó÷àå îïòè÷åñêîãî ìèêðîñêîïà îáúåêòû, âî-ïåðâûõ, ìîãóò áûòü “ñàìîñâåòÿùèìèñÿ”, ò. å. ñëóæèòü èñòî÷íèêîì ýëåêòðîíîâ. Ýòî, íàïðèìåð, íàêàëåííûé êàòîä èëè îñâåùàåìûé ôîòîýëåêòðîííûé êàòîä. Âî-âòîðûõ, ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû îáúåêòû, “ïðîçðà÷íûå” äëÿ ýëåêòðîíîâ, îáëàäàþùèõ îïðåäåë¸ííîé ñêîðîñòüþ. Èíûìè ñëîâàìè, ïðè ðàáîòå íà ïðîñâåò îáúåêòû äîëæíû áûòü äîñòàòî÷íî òîíêèìè, à ýëåêòðîíû äîñòàòî÷íî áûñòðûìè, ÷òîáû îíè ïðîõîäèëè ñêâîçü îáúåêòû è ïîñòóïàëè â ñèñòåìó ýëåêòðîííûõ ëèíç. Êðîìå òîãî, ïóò¸ì èñïîëüçîâàíèÿ îòðàæ¸ííûõ ýëåêòðîííûõ ëó÷åé ìîãóò áûòü èçó÷åíû ïîâåðõíîñòè ìàññèâíûõ îáúåêòîâ (â îñíîâíîì ìåòàëëîâ è ìåòàëëèçèðîâàííûõ îáðàçöîâ). Òàêîé ñïîñîá íàáëþäåíèÿ àíàëîãè÷åí ìåòîäàì îòðàæàòåëüíîé îïòè÷åñêîé ìèêðîñêîïèè.

Ïî õàðàêòåðó èññëåäîâàíèÿ îáúåêòîâ ýëåêòðîííûå ìèêðîñêîïû ðàçäåëÿþò íà ïðîñâå÷èâàþùèå, îòðàæàòåëüíûå, ýìèññèîííûå, ðàñòðîâûå, òåíåâûå è çåðêàëüíûå.

Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàí¸ííûìè â íàñòîÿùåå âðåìÿ ÿâëÿþòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûå ìèêðîñêîïû ïðîñâå÷èâàþùåãî òèïà, â êîòîðûõ èçîáðàæåíèå ñîçäà¸òñÿ ýëåêòðîíàìè, ïðîõîäÿùèìè ñêâîçü îáúåêò íàáëþäåíèÿ. Óñòðîéñòâî òàêîãî ìèêðîñêîïà ïîêàçàíî íà ðèñ. 4 (ñëåâà äëÿ ñðàâíåíèÿ ïîêàçàíî óñòðîéñòâî îïòè÷åñêîãî ìèêðîñêîïà). Îí ñîñòîèò èç ñëåäóþùèõ îñíîâíûõ óçëîâ: îñâåòèòåëüíîé ñèñòåìû, êàìåðû îáúåêòà, ôîêóñèðóþùåé ñèñòåìû è áëîêà ðåãèñòðàöèè êîíå÷íîãî èçîáðàæåíèÿ, ñîñòîÿùåãî èç ôîòîêàìåðû è ôëóîðåñöèðóþùåãî ýêðàíà. Âñå ýòè óçëû ñîåäèíåíû äðóã ñ äðóãîì, îáðàçóÿ òàê íàçûâàåìóþ êîëîííó ìèêðîñêîïà, âíóòðè êîòîðîé ïîääåðæèâàåòñÿ äàâëåíèå ~10­-4 ¾ 10­-5 ìì ðò. ñò. Îñâåòèòåëüíàÿ ñèñòåìà îáû÷íî ñîñòîèò èç òð¸õýëåêòðîäíîé ýëåêòðîííîé ïóøêè (êàòîä, ôîêóñèðóþùèé ýëåêòðîä, àíîä) è êîíäåíñîðíîé ëèíçû (çäåñü è äàëåå ðå÷ü èä¸ò îá ýëåêòðîííûõ ëèíçàõ). Îíà ôîðìèðóåò ïó÷îê áûñòðûõ ýëåêòðîíîâ íóæíîãî ñå÷åíèÿ è èíòåíñèâíîñòè è íàïðàâëÿåò åãî íà èññëåäóåìûé îáúåêò, íàõîäÿùèéñÿ â êàìåðå îáúåêòîâ. Ïó÷îê ýëåêòðîíîâ, ïðîøåäøèé ñêâîçü îáúåêò, ïîñòóïàåò â ôîêóñèðóþùóþ (ïðîåêöèîííóþ) ñèñòåìó, ñîñòîÿùóþ èç îáúåêòèâíîé ëèíçû è îäíîé èëè íåñêîëüêèõ ïðîåêöèîííûõ ëèíç.

Ðèñ. 4. Ñõåìû óñòðîéñòâ îïòè÷åñêîãî ìèêðîñêîïà (à) è ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà ïðîñâå÷èâàþùåãî òèïà (á):

1 ¾ èñòî÷íèê ñâåòà (ýëåêòðîíîâ);

2 ¾ êîíäåíñîðíàÿ ëèíçà;

3 ¾ îáúåêò;

4 ¾ îáúåêòèâíàÿ ëèíçà;

5 ¾ ïðîìåæóòî÷íîå èçîáðàæåíèå;

6 ¾ ïðîåêöèîííàÿ ëèíçà;

7 ¾ êîíå÷íîå èçîáðàæåíèå.

Îáúåêòèâíàÿ ëèíçà ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ïîëó÷åíèÿ óâåëè÷åííîãî ýëåêòðîííîãî èçîáðàæåíèÿ (îáû÷íî óâåëè÷åíèå~100*). ×àñòî ýòî óâåëè÷åííîå èçîáðàæåíèå íàçûâàþò ïðîìåæóòî÷íûì. Äëÿ åãî íàáëþäåíèÿ â ïëîñêîñòè èçîáðàæåíèé îáúåêòèâíîé ëèíçû ðàñïîëàãàþò ñïåöèàëüíûé ýêðàí. Ýòîò ýêðàí, ïîêðûòûé ëþìèíåñöèðóþùèì âåùåñòâîì (ëþìèíîôîðîì), àíàëîãè÷åí ýêðàíó â êèíåñêîïàõ, ïðåâðàùàåò ýëåêòðîííîå èçîáðàæåíèå â âèäèìîå.

×àñòü ýëåêòðîíîâ èç ÷èñëà ïîïàäàþùèõ íà ýêðàí íåîáõîäèìî íàïðàâëÿòü â ïðîåêöèîííóþ ëèíçó äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ êîíå÷íîãî ýëåêòðîííîãî èçîáðàæåíèÿ; ñ ýòîé öåëüþ â öåíòðå ýêðàíà ñäåëàíî êðóãëîå îòâåðñòèå. Ïîòîê ýëåêòðîíîâ, ïðîøåäøèõ ñêâîçü îòâåðñòèå, ïåðåä ïîñòóïëåíèåì â ïðîåêöèîííóþ ëèíçó äèàôðàãìèðóåòñÿ.  áîëåå ñëîæíûõ ìèêðîñêîïàõ èñïîëüçóþòñÿ äâå ýëåêòðîííûå ëèíçû.  ýòèõ ñëó÷àÿõ ïåðâóþ èç ëèíç íàçûâàþò ïðîìåæóòî÷íîé; îíà ôîðìèðóåò âòîðîå ïðîìåæóòî÷íîå èçîáðàæåíèå. Âòîðàÿ æå ïðîåêöèîííàÿ ëèíçà ôîðìèðóåò êîíå÷íîå ýëåêòðîííîå èçîáðàæåíèå, êîòîðîå ôèêñèðóåòñÿ â áëîêå ðåãèñòðàöèè. Ðåçóëüòàò ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè÷åñêîãî èññëåäîâàíèÿ ìîæåò áûòü ïîëó÷åí ëèáî â âèäå ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòåé ïî÷åðíåíèÿ ôîòîãðàôè÷åñêîé ïëàñòèíêè, ëèáî â âèäå ðàñïðåäåëåíèÿ ÿðêîñòåé ñâå÷åíèÿ ëþìèíåñöåíòíîãî ýêðàíà.

Îáðàçîâàíèå èçîáðàæåíèÿ â ïðîñâå÷èâàþùåì ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå ñâÿçàíî ãëàâíûì îáðàçîì ñ ðàçëè÷íîé ñòåïåíüþ ðàññåÿíèÿ ýëåêòðîíîâ ðàçëè÷íûìè ó÷àñòêàìè èññëåäóåìîãî îáðàçöà è â ìåíüøåé ìåðå ñ ðàçëè÷èåì â ïîãëîùåíèè ýëåêòðîíîâ ýòèìè ó÷àñòêàìè.  çàâèñèìîñòè îò ñòåïåíè ðàññåÿíèÿ ýëåêòðîíîâ ó÷àñòêàìè îáðàçöà ÷åðåç òàê íàçûâàåìóþ àïåðòóðíóþ äèàôðàãìó, ïîìåù¸ííóþ ïåðåä îáúåêòèâíîé ëèíçîé, ïðîõîäèò áîëüøåå èëè ìåíüøåå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ (äèàôðàãìà ïðîïóñêàåò ëèøü òå ýëåêòðîíû, óãëû ðàññåÿíèÿ êîòîðûõ íå î÷åíü âåëèêè). Êîíòðàñòíîñòü ïîëó÷àåìîãî èçîáðàæåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ îòíîøåíèåì ÷èñëà ïðîøåäøèõ ÷åðåç äèàôðàãìó ýëåêòðîíîâ ê îáùåìó ÷èñëó ýëåêòðîíîâ, ðàññåÿííûõ äàííûì ìèêðîó÷àñòêîì îáðàçöà.

Ìàêñèìàëüíîå óâåëè÷åíèå òàêîãî ìèêðîñêîïà îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíàìè ôîêóñíûõ ðàññòîÿíèé îáúåêòèâíîé è ïðîåêöèîííîé ëèíç è ðàññòîÿíèåì ìåæäó îáúåêòîì íàáëþäåíèÿ è ïëîñêîñòüþ êîíå÷íîãî èçîáðàæåíèÿ. Äëÿ ïðîñâå÷èâàþùåãî ìèêðîñêîïà ñ îäíîé ïðîåêöèîííîé ëèíçîé ýòà çàâèñèìîñòü âûðàæàåòñÿ ñëåäóþùåé ïðîñòîé ôîðìóëîé:

M=L­2/(4*f1*f2),

ãäå L ¾ ðàññòîÿíèå ìåæäó îáúåêòîì è ïëîñêîñòüþ èçîáðàæåíèÿ; f1 è f2 ¾ ñîîòâåòñòâåííî ôîêóñíûå ðàññòîÿíèÿ îáúåêòèâíîé è ïðîåêöèîííîé ëèíç.

Èç ôîðìóëû âèäíî, ÷òî äëÿ äîñòèæåíèÿ áîëüøèõ óâåëè÷åíèé öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü êîðîòêîôîêóñíûå ëèíçû è ðàñïîëàãàòü èõ íà áîëüøîì ðàññòîÿíèè äðóã îò äðóãà, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò áîëüøîìó çíà÷åíèþ âåëè÷èíû L. Çàìåòèì, ÷òî â ýòîì îòíîøåíèè ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï àíàëîãè÷åí îïòè÷åñêîìó.

Ðåàëüíî â ñîâðåìåííûõ ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ L íå ïðåâûøàåò 1¾ 2 ì, à âåëè÷èíû f1 è f2 ñîñòàâëÿþò ïîðÿäêà 1,5 ¾ 2 ìì. Íåòðóäíî ïîäñ÷èòàòü, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå Mìàêñ=20000¸40000. Îäíàêî äëÿ ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà åñòü ñìûñë äîáèâàòüñÿ äàëüíåéøåãî ïîâûøåíèÿ óâåëè÷åíèÿ åù¸ íà ïîðÿäîê, ïîñêîëüêó ìàêñèìàëüíîå ïîëåçíîå óâåëè÷åíèå åãî, îïðåäåëÿåìîå îòíîøåíèåì ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ÷åëîâå÷åñêîãî ãëàçà (~0,2 ìì) íà ðàññòîÿíèè íàèëó÷øåãî çðåíèÿ ê ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà, ñîñòàâëÿåò ïîðÿäêà 400000.

Õîòÿ, êàê ìû âèäåëè, òåîðåòè÷åñêàÿ ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü â ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè, îãðàíè÷èâàåìàÿ äèôðàêöèîííûì ïðåäåëîì, ïðè èñïîëüçîâàíèè óñêîðÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ ïîðÿäêà 100 êâ ñîñòàâëÿåò 0,037À°, ðåàëüíî äîñòèæèìîå ðàçðåøåíèå â ñèëó ðÿäà ïðè÷èí, î êîòîðûõ ðå÷ü ïîéä¸ò íèæå, îêàçûâàåòñÿ ñóùåñòâåííî ìåíüøå ýòîé âåëè÷èíû.  ñîâðåìåííûõ ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ ãàðàíòèðóåìîå ðàçðåøåíèå ñîñòàâëÿåò 4,5 ¾ 5,0À°. Âåëè÷èíà ìàêñèìàëüíîãî ïîëåçíîãî óâåëè÷åíèÿ (400000*) ñîîòâåòñòâóåò ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè â 5,0À°. Äëÿ äîñòèæåíèÿ ñòîëü áîëüøîãî óâåëè÷åíèÿ â ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ ïðîìåæóòî÷íûå ëèíçû íåáîëüøîãî óâåëè÷åíèÿ.

Îáúåêòû ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè.

Òåïåðü ïîñìîòðèì, êàêèå îáúåêòû ìîæåì ìû íàáëþäàòü è èññëåäîâàòü ñ ïîìîùüþ, îáëàäàþùåãî ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòüþ ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ àíãñòðåì, ò. å. ïîðÿäêà 10­-10 ì. Î÷åíü íåìíîãî ãîâîðèò ýòà öèôðà, òàê êàê ÷èñëî ñ äåñÿòüþ íóëÿìè ïðåäñòàâèòü íå î÷åíü ïðîñòî. Ïî÷åìó ýòó âåëè÷èíó ñëåäóåò ñ÷èòàòü ìàëîé è äàæå ñâåðõìàëîé? Ïî ñðàâíåíèþ ñ ÷åì?  ñòàðîì ó÷åáíèêå ôèçèêè Öèíãåðà áûëà ôðàçà, ñìûñë êîòîðîé ñâîäèëñÿ ê ñëåäóþùåìó: “Åñëè ïîðòíîé îøèá¸òñÿ â äëèíå âàøåãî ïëàòüÿ íà îäèí ñàíòèìåòð, âû âðÿä ëè ýòî çàìåòèòå, íî åñëè íàáîðùèê ñìåñòèò áóêâû íà îäèí ñàíòèìåòð ¾ ýòî êàæäûé ñðàçó çàìåòèò”. Âåëè÷èíà 10­-10 ì î÷åíü ìàëàÿ, åñëè å¸ ñðàâíèâàòü ñ ðàçìåðàìè ïðåäìåòîâ â íàøåé êîìíàòå. Ýòî òàêæå î÷åíü ìàëàÿ âåëè÷èíà ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàçìåðàìè òåõ âåùåé, òåõ îáúåêòîâ, êîòîðûå ìû ìîæåì âçÿòü ðóêàìè, ìîæåì ïîòðîãàòü. Âñå ýòè ïðåäìåòû ñîñòîÿò èç ãðîìàäíîãî ÷èñëà àòîìîâ è ìîëåêóë. Âåëè÷èíà æå 10­-10 ì ñðàâíèìà ñ ðàçìåðàìè îòäåëüíûõ àòîìîâ è ìîëåêóë. Òàêèì îáðàçîì, íàó÷èâøèñü âèäåòü è îáùàòüñÿ ñ òàêèìè âåëè÷èíàìè, ìû ïðèîáðåòàåì âîçìîæíîñòü “ðàáîòàòü” ñ îòäåëüíûìè àòîìàìè è ìîëåêóëàìè âåùåñòâà èëè ïî êðàéíåé ìåðå ñ îáúåêòàìè, â êîòîðûõ íå î÷åíü ìíîãî àòîìîâ. Ñîâðåìåííûå ýëåêòðîííûå ìèêðîñêîïû ïîçâîëÿþò íàáëþäàòü è èçó÷àòü áîëüøèå îðãàíè÷åñêèå ìîëåêóëû.

Èòàê, ñîâåðøèâ “ïðîðûâ” â ñðåäñòâàõ íàáëþäåíèÿ â îáëàñòü ðàçìåðîâ ïîðÿäêà 10­-9¸10­-10 ì, ìû ïî ñðàâíåíèþ ñ ìåòðîì ¾ âåëè÷èíîé, ñðàâíèìîé ñ äëèíîé øàãà, ñîâåðøàåì ñêà÷îê â ìèëëèàðäû (10­9) ðàç. Îáðàòèì âíèìàíèå, ÷òî ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî îêðàèííûõ îáúåêòîâ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ~6e9 êì, êîòîðîå ñâåò(åãî ñêîðîñòü 300000 êì/ñåê) ïðîõîäèò ïðèìåðíî çà 6 ÷, ïî ñðàâíåíèþ ñ ëèíåéíûìè ðàçìåðàìè ãîðîäà (~10 êì), îêàçûâàåòñÿ áîëüøå â 6e8 ðàç.

Íî õîðîøî, ÷òî æå ìîæíî óçíàòü íîâîãî, ïðîíèêíóâ â îáëàñòü ñâåðõ ìàëûõ ðàçìåðîâ, îòêðûâàåìûõ ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèåé? Íå ïðåäñòàâëÿåò ëè ñîáîé ýòîò ìèð àòîìîâ è ìîëåêóë íå÷òî, â êîòîðîì îòñóòñòâóþò íå òîëüêî êðàñêè è çâóêè, íî è âîîáùå êàêèå-ëèáî ïðèçíàêè ðàçíîîáðàçèÿ, æèçíè è êðàñîòû? Îêàçûâàåòñÿ íå íóæíî äàæå îáëàäàòü áîãàòûì âîîáðàæåíèåì, ÷òîáû óâèäåòü ñâîåîáðàçíóþ êðàñîòó ìèðà ñâåðõ ìàëûõ îáúåêòîâ è óâëå÷üñÿ åþ. Ïîñìîòðèòå íà ðèñ. 5, è âû â ýòîì óáåäèòåñü.

Ðèñ. 5. Êðèñòàëë K2PtCl4, âûðàæåííûé íà ïëåíêå èç âîäíîãî ðàñòâîðà.

Íà óðîâíå ðàçìåðîâ, ðàçðåøàåìîé ñîâðåìåííîé ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèåé, ðàçâîðà÷èâàþòñÿ ñîáûòèÿ, èãðàþùèå â êîíå÷íîì èòîãå èñêëþ÷èòåëüíî âàæíóþ ðîëü â æèçíè ÷åëîâåêà, ïðèðîäå è òåõíèêå. Ïðåæäå âñåãî áèîëîãèÿ. Æèâûå êëåòêè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñëîæíûå ñòðóêòóðíûå îáðàçîâàíèÿ; â íèõ ïðîòåêàþò ñëîæíåéøèå, èçó÷åííûå ëèøü ÷àñòè÷íî áèîõèìè÷åñêèå ïðîöåññû. Õîä ýòèõ ïðîöåññîâ îïðåäåëÿåò æèçíåäåÿòåëüíîñòü êëåòîê, èõ âçàèìîñâÿçü è â êîíå÷íîì èòîãå æèçíåäåÿòåëüíîñòü îðãàíèçìîâ.

 ýòîì ìèðå íàøåìó âçîðó îòêðûâàþòñÿ ðàíåå íå èçâåñòíûå íàì íàñåëÿþùèå åãî “æèòåëè”, èõ äåéñòâèÿ è ïðèâû÷êè, âçàèìîîòíîøåíèÿ ìåæäó ñîáîé, èõ äðóæáà è ìàëåíüêèå òðàãåäèè, êîòîðûå â êîíå÷íîì èòîãå ïðèâîäÿò ê ñîáûòèÿì, èãðàþùèì âàæíåéøóþ ðîëü â ìàñøòàáàõ ïðèðîäû è ÷åëîâå÷åñòâà. Çäåñü íà ìîëåêóëÿðíîì óðîâíå õðàíèòñÿ âåëè÷àéøàÿ òàéíà ¾ òàéíà æèçíè, åå âå÷íîãî âîñïðîèçâåäåíèÿ è ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ. Çäåñü æå ñïðÿòàíû òàêèå ôàêòîðû, êàê ïðè÷èíû áîëåçíåé è ñìåðòè, ëèáî ïðåðûâàþùèå æèçíü, ëèáî äåëàþùèå åå òðàãè÷åñêîé; âèðóñû ìíîãèõ ãðîçíûõ áîëåçíåé “ëåãêèõ”, òàêèõ, êàê ãðèïï, è ñòðàøíûõ - òàêèõ, êàê ÷óìà; ñëîæíûå ìîëåêóëÿðíûå ñòðóêòóðû ¾ ìîëåêóëû ÄÍÊ, ÐÍÊ, õðàíÿùèå âåêîâå÷íûé êîä æèçíè, âîñïðîèçâîäÿùèå è îñóùåñòâëÿþùèå ýòó æèçíü, ¾ ïðèíàäëåæàò ê ýòîìó ìèðó.

Ìíîãèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ, ÿâëÿþùèõñÿ îñíîâîé ñîâðåìåííîé òåõíèêè è èñïîëüçóþùèõñÿ â ïîâñåäíåâíîé æèçíè ÷åëîâåêà è îáùåñòâà â öåëîì, îïðåäåëÿþòñÿ ñâîéñòâàìè ìèêðîñòðóêòóð âåùåñòâà, òàêæå îòíîñÿùèõñÿ ê ýòîìó ìèðó.

Òàêèì îáðàçîì, ìèð, êîòîðûé îòêðûâàþò íàì ìåòîäû ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè, íå òîëüêî ìíîãîîáðàçåí è ïî ñâîåìó êðàñî÷åí, íî è èãðàåò ÷ðåçâû÷àéíî âàæíóþ ðîëü â æèçíè ïðèðîäû è ÷åëîâå÷åñòâà.

Âèäû ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïîâ.

Ìíîãîîáðàçèå ÿâëåíèé, òðåáóþùèõ èçó÷åíèÿ ïðè ïîìîùè ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè, îïðåäåëÿåò ðàçíîîáðàçèå è ñïåöèôèêó åå ìåòîäîâ è ñîîòâåòñòâóþùèõ óñòðîéñòâ. Ìû óæå çíàêîìû ñ ïðèíöèïîì äåéñòâèÿ ïðîñâå÷èâàþùåãî ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà. Ñ åãî ïîìîùüþ ìîæíî èññëåäîâàòü òîíêèå îáðàçöû, ïðîïóñêàþùèå ïàäàþùèé íà íèõ ïó÷îê ýëåêòðîíîâ.

 ðÿäå ñëó÷àåâ è â ïåðâóþ î÷åðåäü äëÿ èññëåäîâàíèÿ ìàññèâíûõ îáúåêòîâ ïðèìåíÿþòñÿ ýëåêòðîííûå ìèêðîñêîïû äðóãèõ òèïîâ.

Ýìèññèîííûé ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï ôîðìèðóåò èçîáðàæåíèå ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîíîâ, èñïóñêàåìûõ ñàìèì îáúåêòîì. Òàêîå èñïóñêàíèå äîñòèãàåòñÿ ïóòåì íàãðåâàíèÿ îáúåêòà (òåðìîýëåêòðîííàÿ ýìèññèÿ), îñâåùåíèÿ åãî (ôîòîýëåêòðîííàÿ ýìèññèÿ), áîìáàðäèðîâêè ýëåêòðîíàìè èëè èîíàìè (âòîðè÷íàÿ ýëåêòðîííàÿ ýìèññèÿ), à òàêæå ïîìåùåíèåì åãî â ñèëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå (àâòîýëåêòðîííàÿ ýìèññèÿ). Óâåëè÷åííîå èçîáðàæåíèå ôîðìèðóåòñÿ ïîäîáíî òîìó, êàê ýòî äåëàåòñÿ â ìèêðîñêîïå ïðîñâå÷èâàþùåãî òèïà. Îáðàçîâàíèå èçîáðàæåíèÿ â ýìèññèîííîì ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå ïðîèñõîäèò â îñíîâíîì çà ñ÷åò ðàçëè÷íîãî èñïóñêàíèÿ ýëåêòðîíîâ ìèêðîó÷àñòêàìè îáúåêòà. Ïðè ýìèññèîííûõ èññëåäîâàíèÿõ îáúåêòîâ ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü ìèêðîñêîïîâ ñîñòàâëÿåò ~300À°.

Ýìèññèîííàÿ ýëåêòðîííàÿ ìèêðîñêîïèÿ íàøëà øèðîêîå ïðèìåíåíèå â èññëåäîâàíèÿõ è ðàçðàáîòêàõ êàòîäîâ ýëåêòðîâàêóóìíûõ ïðèáîðîâ ðàçëè÷íîãî, â òîì ÷èñëå ðàäèîëîêàöèîííîãî ïðèìåíåíèÿ, à òàêæå â ôèçè÷åñêèõ èññëåäîâàíèÿõ ìåòàëëîâ è ïîëóïðîâîäíèêîâ.

 îòðàæàòåëüíîì ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå èçîáðàæåíèå ñîçäàåòñÿ ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîíîâ, îòðàæåííûõ (ðàññåÿííûõ) ïîâåðõíîñòíûì ñëîåì îáúåêòà. Îáðàçîâàíèå èçîáðàæåíèÿ â íåì îáóñëîâëåíî ðàçëè÷èåì ðàññåÿíèÿ ýëåêòðîíîâ â ðàçíûõ òî÷êàõ îáúåêòà â çàâèñèìîñòè îò ìàòåðèàëà è ìèêðîðåëüåôà. Îáû÷íî îáðàçöû ïîëó÷àþòñÿ ïîä ìàëûì óãëîì (ïðèáëèçèòåëüíî íåñêîëüêî ãðàäóñîâ) ê ïîâåðõíîñòè. Ïðàêòè÷åñêè íà ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ òàêîãî òèïà äîñòèãíóòî ðàçðåøåíèå ïîðÿäêà 100 àíãñòðåì.

Îäíà èç îñîáåííîñòåé îòðàæàòåëüíîãî ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà — ðàçëè÷èå óâåëè÷åíèé â ðàçëè÷íûõ íàïðàâëåíèÿ âäîëü ïëîñêîñòè îáúåêòà ñâÿçàíî ñ íàêëîííûì ïîëîæåíèåì îáúåêòà ïî îòíîøåíèþ ê îïòè÷åñêîé îñè ìèêðîñêîïà. Ïîýòîìó óâåëè÷åíèå òàêîãî ìèêðîñêîïà õàðàêòåðèçóþò îáû÷íî äâóìÿ âåëè÷èíàìè: óâåëè÷åíèåì â ïëîñêîñòè ïàäåíèÿ ïó÷êà ýëåêòðîíîâ è óâåëè÷åíèåì â ïëîñêîñòè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé ïëîñêîñòè ïàäåíèÿ.

Ðàñòðîâûé ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï îñíîâàí íà èñïîëüçîâàíèè ïðåäâàðèòåëüíî ñôîðìèðîâàííîãî òîíêîãî ýëåêòðîííîãî ëó÷à (çîíäà), ïîëîæåíèåì êîòîðîãî óïðàâëÿþò ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé. Ýòî óïðàâëåíèå (ñêàíèðîâàíèå) âî ìíîãîì àíàëîãè÷íî ïðîöåññó ðàçâåðòêè â òåëåâèçèîííûõ êèíåñêîïàõ. Ýëåêòðîííûé çîíä ïîñëåäîâàòåëüíî ïðîõîäèò ïî ïîâåðõíîñòè èññëåäóåìîãî îáðàçöà. Ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðîíîâ ïó÷êà ïðîèñõîäèò ðÿä ïðîöåññîâ, õàðàêòåðíûõ äëÿ äàííîãî ìàòåðèàëà è åãî ñòðóêòóðû. Ê èõ ÷èñëó îòíîñÿòñÿ ðàññåÿíèå ïåðâè÷íûõ ýëåêòðîíîâ, èñïóñêàíèå (ýìèññèÿ) âòîðè÷íûõ ýëåêòðîíîâ, ïîÿâëåíèå ýëåêòðîíîâ, ïðîøåäøèõ ñêâîçü îáúåêò (â ñëó÷àå òîíêèõ îáúåêòîâ), âîçíèêíîâåíèå ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ.  ðÿäå ñïåöèàëüíûõ ñëó÷àåâ (ëþìèíåñöèðóþùèå ìàòåðèàëû, ïîëóïðîâîäíèêè) âîçíèêàåò òàêæå ñâåòîâîå èçëó÷åíèå. Ðåãèñòðàöèÿ ýëåêòðîíîâ, âûõîäÿùèõ èç îáúåêòà, à òàêæå äðóãèõ âèäîâ èçëó÷åíèÿ (ðåíòãåíîâñêîãî, ñâåòîâîãî) äàåò èíôîðìàöèþ î ðàçëè÷íûõ ñâîéñòâàõ ìèêðîó÷àñòêîâ èçó÷àåìîãî îáúåêòà. Ñîîòâåòñòâåííî ýòîìó ñèñòåìû èíäèêàöèè è äðóãèå ýëåìåíòû ðàñòðîâûõ ìèêðîñêîïîâ ðàçëè÷àþòñÿ â çàâèñèìîñòè îò âèäà ðåãèñòðèðóåìîãî èçëó÷åíèÿ.

Ñèíõðîííî ñ ðàçâåðòêîé ýëåêòðîííîãî çîíäà îñóùåñòâëÿåòñÿ ðàçâåðòêà ëó÷à áîëüøîãî êèíåñêîïà. Ðàññìîòðèì ðàáîòó ðàñòðîâîãî ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà â ðåæèìå èíäèêàöèè òîêà âòîðè÷íûõ ýëåêòðîíîâ.  ýòîì ñëó÷àå âåëè÷èíà âòîðè÷íîãî ýëåêòðîííîãî òîêà îïðåäåëÿåò ãëóáèíó ìîäóëÿöèè ÿðêîñòè íà ýêðàíå êèíåñêîïà. Ðàñòðîâûé ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï òàêîãî òèïà ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü óâåëè÷åíèå 100 ¸ 100 000 ïðè äîñòàòî÷íîé êîíòðàñòíîñòè èçîáðàæåíèÿ. Ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü ðàñòðîâûõ ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïîâ îïðåäåëÿåòñÿ äèàìåòðîì ýëåêòðîííîãî çîíäà è â ñëó÷àå ïîëó÷åíèÿ èçîáðàæåíèÿ â ýëåêòðîííûõ ëó÷àõ ñîñòàâëÿåò ~300À°. Ðàñòðîâûå ýëåêòðîííûå ìèêðîñêîïû ïîçâîëÿþò èçó÷àòü, íàïðèìåð, òàê íàçûâàåìûå p-n ïåðåõîäû â ïîëóïðîâîäíèêàõ.

Èç ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïîâ óïîìÿíåì çåðêàëüíûé ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï, îñíîâíîé îñîáåííîñòüþ êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ê ìèêðîñêîïè÷åñêèì ýëåêòðè÷åñêèì è ìàãíèòíûì ïîëÿì íà îòðàæàþùåì ìàññèâíîì îáúåêòå. Ïðè ýòîì äîñòèãàåòñÿ ðàçðåøåíèå äåòàëåé ïîðÿäêà 1000À° è óâåëè÷åíèå ïî÷òè â 2000*. Ðàáîòà òàêîãî ìèêðîñêîïà îñíîâàíà íà äåéñòâèè ìèêðîñêîïè÷åñêèõ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëåé íà ýëåêòðîííûé ïîòîê. Çåðêàëüíûé ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï ïîçâîëÿåò èçó÷àòü, íàïðèìåð, äîìåííóþ ñòðóêòóðó ôåððîìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ, ñòðóêòóðó ñåãíåòîýëåêòðèêîâ.

 òåíåâîì ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå, òàê æå êàê è â ðàñòðîâîì, ôîðìèðóåòñÿ ýëåêòðîííûé çîíä, îäíàêî ïîëîæåíèå åãî îñòàåòñÿ íåèçìåííûì. Ýëåêòðîííûå ëó÷è çîíäà ñëóæàò äëÿ ïîëó÷åíèÿ óâåëè÷åííîãî òåíåâîãî èçîáðàæåíèÿ îáúåêòà, ïîìåùåííîãî â íåïîñðåäñòâåííîé áëèçîñòè îò çîíäà. Îáðàçîâàíèå èçîáðàæåíèÿ îáóñëîâëåíî ðàññåÿíèåì è ïîãëîùåíèåì ýëåêòðîíîâ ðàçëè÷íûìè ó÷àñòêàìè îáúåêòà. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî èíòåíñèâíîñòü êîíå÷íîãî èçîáðàæåíèÿ â òåíåâîì ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå íåçíà÷èòåëüíà, ïîýòîìó îáû÷íî â íèõ èñïîëüçóþòñÿ óñèëèòåëè ñâåòà òèïà ýëåêòðîííî-îïòè÷åñêèõ ïðåîáðàçîâàòåëåé.

Âàæíîé ðàçíîâèäíîñòüþ ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïîâ ðàñòðîâîãî òèïà ÿâëÿåòñÿ ìèêðîðåíòãåíîñïåêòðàëüíûé àíàëèçàòîð. Ïðèáîð îñíîâàí íà âîçáóæäåíèè òàê íàçûâàåìîãî õàðàêòåðèñòè÷åñêîãî ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ àòîìîâ ìàëîãî ó÷àñòêà ïîâåðõíîñòè - îáðàçöà ñ ïîìîùüþ òîíêîãî âûñîêîñêîðîñòíîãî ýëåêòðîííîãî çîíäà. Ýëåêòðîííûé çîíä ñ ïîìîùüþ ñèñòåìû ðàçâåðòêè îáåãàåò èññëåäóåìóþ ïîâåðõíîñòü. Ïðè òîðìîæåíèè ýëåêòðîíîâ íà ïîâåðõíîñòè âîçíèêàåò íàðÿäó ñ òàê íàçûâàåìûì òîðìîçíûì èçëó÷åíèåì õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå, ñâîéñòâà êîòîðîãî ñóùåñòâåííî îïðåäåëÿþòñÿ ñòðîåíèåì ýëåêòðîííûõ îáîëî÷åê â àòîìàõ âåùåñòâà. Ýòî èçëó÷åíèå îáÿçàíî ñâîèì âîçíèêíîâåíèåì ýíåðãåòè÷åñêèì ïåðåõîäîì ìåæäó ãëóáîêèìè ýíåðãåòè÷åñêèìè óðîâíÿìè àòîìîâ.

Âîçíèêàþùåå õàðàêòåðèñòè÷åñêîå èçëó÷åíèå ðåãèñòðèðóåòñÿ ñ ïîìîùüþ ðåíòãåíîñïåêòðàëüíîé àïïàðàòóðû. Äèàìåòð ýëåêòðîííîãî çîíäà ìîæåò èçìåíÿòüñÿ îò 360 äî 0,5 ìêì, à ðàçìåð ïðîñìàòðèâàåìîé ïëîùàäêè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êâàäðàò ñî ñòîðîíîé 360, 180, 90 èëè 45 ìêì.  îäíîì èç ïðèáîðîâ òàêîãî òèïà ñêîðîñòü àíàëèçà ïî îäíîìó õèìè÷åñêîìó ýëåìåíòó ñîîòâåòñòâóåò äâèæåíèþ çîíäà 8 èëè 96 ìêì/ìèí (ïðè ìåõàíè÷åñêîì ïåðåìåùåíèè îáúåêòà). Àíàëèçèðîâàòü ìîæíî âñå ýëåìåíòû ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû ýëåìåíòîâ Ìåíäåëååâà, ëåãêèõ (îò àòîìíîãî íîìåðà 11 - íàòðèÿ).ìèíèìàëüíûé îáúåì âåùåñòâà, ïîääàþùåãîñÿ êîëè÷åñòâåííîìó àíàëèçó, ñîñòàâëÿåò 0,1 ìêã. Ñ ïîìîùüþ ìèêðîðåíòãåíîâñêîãî àíàëèçàòîðà ïîëó÷àþò ðàñïðåäåëåíèå ôèçèêî-õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà âäîëü èññëåäóåìîé ïîâåðõíîñòè.

 ÑÑÑÐ ñåðèéíî âûïóñêàåòñÿ (âûïóñêàëñÿ) ìèêðîðåíòãåíîâñêèé àíàëèçàòîð òèïà ÌÀÐ-1 (äèàìåòð çîíäà îêîëî 1 ìêì, íàèìåíüøàÿ àíàëèçèðóåìàÿ ïëîùàäü 1ìêì­2). Ïðèáîðû òàêîãî âèäà íàõîäÿò ïðèìåíåíèå â ýëåêòðîííîé ïðîìûøëåííîñòè è â äðóãèõ îáëàñòÿõ íàóêè è òåõíèêè.

×èòàòåëü, âèäèìî, îáðàòèë âíèìàíèå íà òîò ôàêò, ÷òî â ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ íå äîñòèãàåòñÿ ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü, ïðåäñêàçûâàåìàÿ òåîðèåé.  ÷åì æå äåëî? Âñïîìíèì, ÷òî â ôîðìèðîâàíèè èçîáðàæåíèÿ â ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ âàæíóþ ðîëü èãðàþò ýëåìåíòû ýëåêòðîííîé îïòèêè, ïîçâîëÿþùèå îñóùåñòâëÿòü óïðàâëåíèå ýëåêòðîííûìè ïó÷êàìè. Ýòèì ýëåìåíòàì — ýëåêòðîííûì ëèíçàì ñâîéñòâåííû ðàçëè÷íîãî ðîäà îòêëîíåíèÿ îò èäåàëüíîãî (òðåáóåìîãî ðàñ÷åòîì) ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëåé. Ïîëîæåíèå çäåñü âî ìíîãîì àíàëîãè÷íî îãðàíè÷åíèÿì â îïòè÷åñêîé ìèêðîñêîïèè, ñâÿçàííûì ñ íåòî÷íîñòüþ èçãîòîâëåíèÿ îïòè÷åñêèõ ëèíç, çåðêàë è äðóãèõ ýëåìåíòîâ. Êðîìå òîãî, ðÿä òðóäíîñòåé ñâÿçàí ñ îñîáåííîñòÿìè èçãîòîâëåíèÿ è ðàáîòû èñòî÷íèêîâ ýëåêòðîííûõ ïîòîêîâ (êàòîäîâ), à òàêæå ñ ïðîáëåìîé ñîçäàíèÿ ïîòîêîâ, â êîòîðûõ ýëåêòðîíû ìàëî îòëè÷àþòñÿ ïî ñêîðîñòÿì.  ñîîòâåòñòâèè ñ ýòèìè ôàêòàìè, äåéñòâóþùèìè â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ, ðàçëè÷àþò îïðåäåë¸ííûå âèäû èñêàæåíèé â ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ, èñïîëüçóÿ ïðè ýòîì òåðìèíîëîãèþ, çàèìñòâîâàííóþ èç ñâåòîâîé îïòèêè.

Îñíîâíûìè âèäàìè èñêàæåíèé ýëåêòðîííûõ ëèíç â ïðîñâå÷èâàþùèõ ìèêðîñêîïàõ ÿâëÿþòñÿ ñôåðè÷åñêàÿ è õðîìàòè÷åñêàÿ àáåððàöèè, à òàêæå äèôðàêöèÿ è ïðèîñåâîé àñòèãìàòèçì. Íå îñòàíàâëèâàÿñü íà ïðîèñõîæäåíèè ðàçëè÷íûõ âèäîâ èñêàæåíèé, ñâÿçàííûõ ñ íàðóøåíèÿìè ñèììåòðèè ïîëåé è âçàèìíûì ðàñïîëîæåíèåì ýëåìåíòîâ ýëåêòðîííîé îïòèêè, óïîìÿíåì ëèøü î õðîìàòè÷åñêîé àáåððàöèè. Ïîñëåäíèé âèä èñêàæåíèé àíàëîãè÷åí âîçíèêíîâåíèþ îêðàøåííûõ èçîáðàæåíèé â ïðîñòûõ áèíîêëÿõ è ëóïàõ. Èñïîëüçîâàíèå ñïåêòðàëüíî ÷èñòîãî ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî ñâåòà â îïòèêå (âìåñòî áåëîãî) óñòðàíÿåò ýòîò âèä èñêàæåíèé. Àíàëîãè÷íî ýòîìó â ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè èñïîëüçóþò ïî âîçìîæíîñòè ïó÷êè ýëåêòðîíîâ, ñêîðîñòè êîòîðûõ îòëè÷àþòñÿ ìàëî (âñïîìíèì ñîîòíîøåíèå l=h/(m*v) äëÿ ýëåêòðîíà!). Ýòîãî äîñòèãàþò ïðèìåíåíèåì âûñîêîñòàáèëüíûõ èñòî÷íèêîâ ýëåêòðè÷åñêîãî ïèòàíèÿ.

Áëèçêèì “ðîäñòâåííèêîì” ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîíîãðàô ¾ ïðèáîð, èñïîëüçóþùèé ÿâëåíèå äèôðàêöèè ýëåêòðîíîâ, òîé ñàìîé äèôðàêöèè, êîòîðàÿ â ñâî¸ âðåìÿ ïîäòâåðäèëà íàëè÷èå âîëíîâûõ ñâîéñòâ ó ýëåêòðîíîâ è ñòàâèò â íàøè äíè ïðåäåë ðàçðåøåíèÿ â ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå.  ñëó÷àå ýëåêòðîíîâ îáúåêòàìè, â êîòîðûõ ìîæåò ïðîèñõîäèòü äèôðàêöèÿ íà ïåðèîäè÷åñêîé ñòðóêòóðå (àíàëîãè÷íîé îáú¸ìíîé äèôðàêöèîííîé ðåø¸òêå â îïòèêå), ñëóæàò êðèñòàëëè÷åñêèå ñòðóêòóðû. Èçâåñòíî, ÷òî â êðèñòàëëàõ àòîìû ðàñïîëîæåíû â ñòðîãîì ãåîìåòðè÷åñêîì ïîðÿäêå íà ðàññòîÿíèÿõ ïîðÿäêà åäèíèö àíãñòðåì. Îñîáåííî ïðàâèëüíî ýòî ðàñïîëîæåíèå â òàê íàçûâàåìûõ ìîíîêðèñòàëëàõ. Ïðè âçàèìîäåéñòâèè ýëåêòðîíîâ ñ òàêèìè ñòðóêòóðàìè âîçíèêàåò ðàññåÿíèå ýëåêòðîíîâ â ïðåèìóùåñòâåííûõ íàïðàâëåíèÿõ â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäñêàçûâàåìûìè òåîðèåé ñîîòíîøåíèÿìè. Ðåãèñòðèðóÿ ðàññåÿííûå ýëåêòðîíû (íàïðèìåð, ôîòîãðàôèðóÿ èõ), ìîæíî ïîëó÷àòü èíôîðìàöèþ îá àòîìíîé ñòðóêòóðå âåùåñòâà.  ñîâðåìåííûõ óñëîâèÿõ ýëåêòðîíîãðàôèÿ øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ ïðè èññëåäîâàíèÿõ íå òîëüêî òâ¸ðäûõ, íî è æèäêèõ, ãàçîîáðàçíûõ òåë. Î âèäå ïîëó÷àåìûõ ýëåêòðîíîãðàìì ìîæíî ñóäèòü ïî ôîòîãðàôèÿì (ñì. ðèñ.6).

Ðèñ. 6. Ýëåêòîðíîãðàììà âûñîêîãî ðàçðåøåíèÿ (îêèñü öèíêà):

ââåðõó ¾ ýëåêòðîíîãðàììà; âíèçó ¾ óâåëè÷åííîå èçîáðàæåíèå ó÷àñòêà À.

 íàøåé ñòðàíå è çà ðóáåæîì ïðèìåíÿþòñÿ ñïåöèàëèçèðîâàííûå ýëåêòðîíîãðàôû ïðîìûøëåííîãî òèïà. Êðîìå òîãî, â íåêîòîðûõ ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ ïðåäóñìîòðåíà âîçìîæíîñòü ðàáîòû â ðåæèìå ýëåêòðîíîãðàôèè.

Ñëåäóåò çàìåòèòü, ÷òî ñ òî÷êè çðåíèÿ ôèçèêè ïîëó÷åíèå ýëåêòðîíîãðàìì ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðîöåññ, âî ìíîãîì áëèçêèé ïðîöåññó ïîëó÷åíèþ ðåíòãåíîãðàìì â ðåíòãåíîñòðóêòóðíîì àíàëèçå. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè â ýëåêòðîãðàôèè èñïîëüçóåòñÿ äèôðàêöèÿ ýëåêòðîíîâ, òî â ðåíòãåíîñòðóêòóðíîì àíàëèçå ïðîèñõîäèò äèôðàêöèÿ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé íà àòîìíûõ ñòðóêòóðàõ. Åñòåñòâåííî, ÷òî êàæäûé èç ýòèõ ìåòîäîâ èìååò ñâîþ îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ.

Îñîáåííîñòè ðàáîòû ñ ýëåêòðîííûì ìèêðîñêîïîì.

Îñòàíîâèìñÿ êðàòêî íà îñíîâíûõ ïðèåìàõ ðàáîòû â ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè. Åñòåñòâåííî, ÷òî ýòè ïðèåìû ñâîåîáðàçíû, ó÷èòûâàÿ ñâåðõìàëûå ðàçìåðû îáúåêòîâ, ïîäëåæàùèõ èññëåäîâàíèþ. Òàê, íàïðèìåð, â áèîëîãè÷åñêèõ èññëåäîâàíèÿõ íàõîäÿò ïðèìåíåíèÿ “ñâåðõòîíêèå íîæè” - ìèêðîòîìû, ïîçâîëÿþùèå ïîëó÷àòü ñðåçû áèîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ òîëùèíîé ìåíåå 1 ìêì.

Ãëàâíûå îñîáåííîñòè ìåòîäèêè ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè îïðåäåëÿþòñÿ íåîáõîäèìîñòüþ ïîìåùåíèÿ îáúåêòà èññëåäîâàíèÿ âíóòðü êîëîííû ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà, ò.å. â âàêóóì è îáåñïå÷åíèÿ óñëîâèé âûñîêîé ÷èñòîòû, òàê êàê ìàëåéøèå çàãðÿçíåíèÿ ìîãóò ñóùåñòâåííî èñêàçèòü ðåçóëüòàòû. Äëÿ ïðîñâå÷èâàþùåãî ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà îáúåêò ïðèãîòîâëÿåòñÿ â âèäå òîíêèõ ïëåíîê, â êà÷åñòâå êîòîðûõ ìîãóò ñëóæèòü ðàçëè÷íîãî ðîäà ëàêè, ïëåíêè ìåòàëëîâ è ïîëóïðîâîäíèêîâ, óëüòðàòîíêèå ñðåçû áèîëîãè÷åñêèõ ïðåïàðàòîâ. Êðîìå òîãî, îáúåêòàìè èññëåäîâàíèÿ ìîãóò áûòü òîíêî èçìåëü÷åííûå (äèñïåðãèðîâàííûå) ñîâîêóïíîñòè ÷àñòèö. Îáû÷íî â ïðîñâå÷èâàþùèõ ìèêðîñêîïàõ, ðàáîòàþùèõ ïðè íàïðÿæåíèÿõ 50-100 êâ, òîëùèíà îáúåêòîâ íå ìîæåò ïðåâûøàòü 200 À°(äëÿ íåîðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ) è 1000 À° (äëÿ îðãàíè÷åñêèõ). Áèîëîãè÷åñêèå îáúåêòû â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ïðèõîäèòñÿ êîíòðàñòèðîâàòü, ò.å. “îêðàøèâàòü” (ñîëÿìè òÿæåëûõ ìåòàëëîâ), îòòåíÿòü íàïûëåíèåì ìåòàëëîâ (ïëàòèíîé, ïàëëàäèåì è äð.) è èñïîëüçîâàòü ðÿä äðóãèõ ïðèåìîâ. Íåîáõîäèìîñòü êîíòðàñòèðîâàíèÿ âûçâàíà òåì, ÷òî áîëüøèíñòâî áèîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ ñîäåðæèò àòîìû ëåãêèõ ýëåìåíòîâ (ñ ìàëûì àòîìíûì íîìåðîì) - âîäîðîä, óãëåðîä, àçîò, êèñëîðîä, ôîñôîð è ò.ä. â òî æå âðåìÿ òîëùèíà îáúåêòîâ, èíòåðåñíûõ äëÿ áèîëîãèè è ìåäèöèíû, ñîñòàâëÿåò âåëè÷èíó ïîðÿäêà 50 À°. Áåç êîíòðàñòèðîâàíèÿ ïðè ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè÷åñêèõ èññëåäîâàíèÿõ âèðóñîâ íàáëþäàþòñÿ áåññòðóêòóðíûå ïÿòíà, à îòäåëüíûå ìîëåêóëû íóêëåèíîâûõ êèñëîò âîîáùå íåðàçëè÷èìû. Èñïîëüçîâàíèå ìåòîäîâ êîíòðàñòèðîâàíèÿ ïîçâîëÿåò ýôôåêòèâíî ïðèìåíèòü ýëåêòðîííóþ ìèêðîñêîïèþ â áèîëîãè÷åñêèõ èññëåäîâàíèÿõ è â òîì ÷èñëå ïðè èññëåäîâàíèÿõ áîëüøèõ ìîëåêóë (ìàêðîìîëåêóë) ¾ ñì., íàïðèìåð, ðèñ. 7.

Ðèñ. 7. ÐÍÊ èç âèðóñà òàáà÷íîé ìîçàèêè (èç ðàñòâîðà ñ èîííîé ñèëîé 0,0003 ìêì).

 ðÿäå ñëó÷àåâ ïðè èññëåäîâàíèè, íàïðèìåð, ìàññèâíûõ îáúåêòîâ â òåõíèêå øèðîêîå ïðèìåíåíèå íàõîäèò ìåòîä ïîëó÷åíèÿ îòïå÷àòêîâ, êîòîðûé çàêëþ÷àåòñÿ â èçãîòîâëåíèè è ïîñëåäóþùåì èññëåäîâàíèè â ìèêðîñêîïå êîïèé ïîâåðõíîñòåé îáúåêòîâ.

Èñïîëüçóþòñÿ êàê åñòåñòâåííûå îòïå÷àòêè (òîíêèå ñëîè îêèñëîâ), òàê è èñêóññòâåííûå, ïîëó÷àåìûå ïóòåì íàíåñåíèÿ (íàïûëåíèÿ, îñàæäåíèÿ) ïëåíîê êâàðöà, óãëåðîäà è äðóãèõ âåùåñòâ. Íàèáîëüøåå ðàçðåøåíèå ( ~10 À°) ïîçâîëÿþò ïîëó÷èòü óãîëüíûå ðåïëèêè, êîòîðûå íàõîäÿò øèðîêîå ïðèìåíåíèå êàê â òåõíèêå, òàê è â áèîëîãèè.

Ïðè íàáëþäåíèè ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè÷åñêèìè ìåòîäàìè âëàæíûõ îáúåêòîâ ( â òîì ÷èñëå æèâûõ êëåòîê) èñïîëüçóþòñÿ âàêóóìíî-èçîëèðîâàííûå ãàçîâûå ìèêðîêàìåðû. Îáúåêòû èññëåäîâàíèÿ ïîìåùàþòñÿ â ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ íà òîí÷àéøèå ïëåíêè - ïîäëîæêè, êîòîðûå êðåïÿòñÿ íà ñïåöèàëüíûõ ñåòêàõ, èçãîòîâëÿåìûõ îáû÷íî èç ìåäè ýëåêòðîëèòè÷åñêèì ñïîñîáîì. Ýòè ïëåíêè äîëæíû óäîâëåòâîðÿòü öåëîìó ðÿäó òðåáîâàíèé, ïîñêîëüêó îòíîñèòåëüíî áîëüøàÿ òîëùèíà èõ, à òàêæå ñèëüíîå ðàññåÿíèå èìè ýëåêòðîíîâ ïðèâîäÿò ê ðåçêîìó óõóäøåíèþ êà÷åñòâà èçîáðàæåíèÿ îáúåêòà. Êðîìå òîãî, ìàòåðèàë òàêèõ ïëåíîê äîëæåí îáëàäàòü õîðîøåé òåïëîïðîâîäíîñòüþ è âûñîêîé ñòîéêîñòüþ ê ýëåêòðîííîé áîìáàðäèðîâêå.

Êñòàòè, îá ýëåêòðîííîé áîìáàðäèðîâêå îáúåêòà èññëåäîâàíèÿ è åå ïîñëåäñòâèÿõ. Ïðè ïîïàäàíèè ýëåêòðîíîâ íà îáúåêò îíè âûäåëÿþò ýíåðãèþ, ïðèìåðíî ðàâíóþ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè èõ äâèæåíèÿ.  ðåçóëüòàòå ìîãóò ïðîèñõîäèòü ìåñòíûé ðàçîãðåâ è ðàçðóøåíèå ó÷àñòêîâ îáúåêòà.

Ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ìèêðîõèìè÷åñêîãî àíàëèçà èññëåäóåìîãî âåùåñòâà ñîãëàñíî ìåòîäó, ïðåäëîæåííîìó Ì. È. Çåìëÿíîâîé è Þ. Ì. Êóøíèðîì. Ïî ñóùåñòâó ýòîò ìåòîä àíàëîãè÷åí ìåòîäó ìèêðîõèìè÷åñêîãî àíàëèçà ñ ïîìîùüþ îïòè÷åñêîãî ìèêðîñêîïà.  äàííîì ñëó÷àå ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå óñòðîéñòâà, ñïîñîáíîãî îáíàðóæèòü ìàëûå êîëè÷åñòâà èñêîìîãî âåùåñòâà (ïî ôîðìå è ñòðóêòóðå êðèñòàëëîâ è ò.ï.). íà ïîâåðõíîñòü âîäíîãî ðàñòâîðà, â êîòîðîì ïðåäïîëàãàåòñÿ íàëè÷èå èñêîìûõ èîíîâ, íàíîñèòñÿ êàïëÿ 1 — 1,5% ðàñòâîðà íèòðîêëåò÷àòêè â àìèëàöåòàòå. Êàïëÿ ðàñòåêàåòñÿ ïî ïîâåðõíîñòè æèäêîñòè è îáðàçóåò êîëëîäèåâóþ ïëåíêó, íà êîòîðóþ íàíîñèòñÿ êàïëÿ ðåàãåíòà. Èîíû ðåàãåíòà ïðîíèêàþò (äèôôóíäèðóþò) ñêâîçü ïëåíêó è, âçàèìîäåéñòâóÿ ñ ðàñòâîðîì, îáðàçóþò íà ïîâåðõíîñòè ïëåíêè êðèñòàëëû, êîòîðûå ñîäåðæàò èîíû, ïîäëåæàùèå îáíàðóæåíèþ. Ïîñëå ñïåöèàëüíîé î÷èñòêè êóñî÷åê ïëåíêè ñ êðèñòàëëèêàìè ïîìåùàåòñÿ â ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï, è íà îñíîâå èçó÷åíèÿ ýòèõ êðèñòàëëèêîâ îêàçûâàåòñÿ âîçìîæíûì äàòü îòâåò î íàëè÷èè èñêîìûõ èîíîâ, à â ðÿäå ñëó÷àåâ — è îá èõ êîíöåíòðàöèè. Òàêîé ìåòîä ìèêðîõèìè÷åñêîãî àíàëèçà õàðàêòåðèçóåòñÿ âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ (íà 2 — 3 ïîðÿäêà áîëüøåé ïî ñðàâíåíèþ ñ äðóãèìè ñïîñîáàìè). Íàïðèìåð, èîíû ìàðãàíöà ìîãóò áûòü îáíàðóæåíû â ðàñòâîðå ñ êîíöåíòðàöèåé íå íèæå 10­-11 íîðìàëüíîãî ðàñòâîðà ïðè ñîäåðæàíèè èîíà 10­-11 ã (ïî äàííûì À. Ì. Ðåøåòíèêîâà).

Ïóòè ïðåîäîëåíèÿ äèôðàêöèîííîãî ïðåäåëà ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè.

Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè ýëåêòðîííàÿ ìèêðîñêîïèÿ äîñòèãëà áîëüøèõ óñïåõîâ è íàøëà ìíîãî÷èñëåííûå ïðèìåíåíèÿ. Îäíàêî â ðÿäå ñëó÷àåâ, î êîòîðûõ êðàòêî áûëî ñêàçàíî âûøå, áûëî áû ÷ðåçâû÷àéíî æåëàòåëüíûì äîáèòüñÿ äàëüíåéøåãî ïðîãðåññà â ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè. Ýòî â ïåðâóþ î÷åðåäü îòíîñèòñÿ ê ïðîáëåìå äîñòèæåíèÿ áîëüøåé ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè.

Íà ïóòè ðåøåíèÿ ýòîé êðàåóãîëüíîé çàäà÷è ñòîÿò ÷ðåçâû÷àéíî ñåðüåçíûå òåõíè÷åñêèå òðóäíîñòè, ñâÿçàííûå ñ ïðîáëåìàìè ñîçäàíèÿ ýëåêòðîííûõ ëèíç, èõ âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ ôîðìèðîâàíèÿ îäíîñêîðîñòíûõ ýëåêòðîííûõ ïîòîêîâ. Ñîâîêóïíîñòü ýòèõ ôàêòîðîâ ïðèâîäèò â êîíå÷íîì èòîãå ê ðàçëè÷íîãî ðîäà èñêàæåíèÿì, èãðàþùèì âàæíóþ ðîëü ïðè áîëüøèõ óâåëè÷åíèÿõ è ïðèâîäÿùèì ê òîìó, ÷òî ïðàêòè÷åñêè äîñòèãàåìîå ðàçðåøåíèå îêàçûâàåòñÿ õóæå ïðåäåëüíîãî.

Ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè ê ñâîèì ïðåäåëüíûì âîçìîæíîñòÿì âñå òðóäíåå è òðóäíåå ñòàíîâèòñÿ âíîñèòü â íåå äàëüíåéøèå óñîâåðøåíñòâîâàíèÿ.

Ñàìûå ïîñëåäíèå äîñòèæåíèÿ â ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè îñíîâàíû íà ïðèìåíåíèè íîâûõ âûñîêîâîëüòíûõ (V = 100 êâ) è ñâåðõâûñîêîâàêóóìíûõ (âàêóóì 2e-10 ìì ðò.ñò.) ïðèáîðîâ. Âûñîêîâîëüòíàÿ ýëåêòðîííàÿ ìèêðîñêîïèÿ, êàê ïîêàçûâàåò îïûò, ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü õðîìàòè÷åñêóþ àáåððàöèþ ýëåêòðîííûõ ëèíç.  ïå÷àòè ñîîáùàåòñÿ, íàïðèìåð, î òîì, ÷òî ñ ïîìîùüþ íîâîãî ÿïîíñêîãî ìèêðîñêîïà SMH-5 ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû ôîòîãðàôèè ðåøåòîê ñ ìåæïëîñêîñòíûì ðàññòîÿíèåì ~1 À°. Ñîîáùàåòñÿ òàêæå, ÷òî íà íîâîì ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå ñ óñêîðÿþùèì íàïðÿæåíèåì 750 êâ ïîëó÷åíî ðàçðåøåíèå, ðàâíîå 3 À°.

Ðàññìàòðèâàþòñÿ âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ â ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè ëèíç èç ñâåðõïðîâîäÿùèõ ñïëàâîâ (íàïðèìåð, Hi ¾ Zn), êîòîðûå ïîçâîëÿò ïîëó÷èòü âûñîêèå îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ýëåêòðîííûõ ñèñòåì è èñêëþ÷èòåëüíóþ ñòàáèëüíîñòü ïîëåé. Îæèäàåòñÿ, ÷òî èñïîëüçîâàíèå ñïåöèàëüíûõ ëèíç-ôèëüòðîâ ïîçâîëèò ïîëó÷èòü íîâûå ðåçóëüòàòû â îòðàæàòåëüíîé ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè. Ïðè èñïîëüçîâàíèè òàêèõ ëèíç â ïðîñâå÷èâàþùåì ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå óäàëîñü ñóùåñòâåííî óëó÷øèòü èõ ðàçðåøàþùóþ ñïîñîáíîñòü.

 ðàñòðîâûõ ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïàõ ïðîñâå÷èâàþùåãî òèïà ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè äîñòèãíóòà ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü â 100 À°. Íîâûé ýìèññèîííûé ìèêðîñêîï ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü ðàçðåøåíèÿ äåòàëåé ñ ðàçìåðàìè îò 120 (äëÿ ôîòîýìèññèè) äî 270 À° (äëÿ âòîðè÷íîé ýìèññèè).

Âûçûâàåò èíòåðåñ ñîîáùåíèå î òîì, ÷òî ãîëëàíäñêàÿ ôèðìà 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.

Ðèñóíêè: