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

Предел микроскопии

Невидимые излучения

Электроны и электронная оптика

Электроны -- волны!?

Устройство электронного микроскопа

Объекты электронной микроскопии

Виды электронных микроскопов

Особенности работы с электронным микроскопом

Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии

Список литературы

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. 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 длину волны света, посылаемого бесконечно удалённым источником.

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

sin 1,22(/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.

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

 0,61(/D).

Часто используется величина А, обратная предельному углу :

А=(1/)=D/(0,61),

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 5200 5800 A Напомним, что 1 (ангстрем) = 10e-10 м. (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 ( 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 0,17 0,10A, а при просвечивании материалов (толстые стальные и другие изделия) с 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)/(nsin).

Для рентгеновских лучей коэффициент преломления n среды очень близок к единице. Поэтому, если воспользоваться рентгеновским излучением с 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 единицы В абсолютной системе единиц коэффициент преломления вакуума равен единице.. 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 (1030*) 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»

(m/V)=(9,1e-28)/(4/3r3)1011 г/см3 (!).

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 точностью 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.. 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=(2e/mU)0,56e7 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 U100 кв.) при этом будет весьма велико:

(v2)/(2s)1023 см/сек2 (!).

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 1019 частиц в секунду!).

Итак, положение с электронами выглядит своеобразно:

есть объект, которым мы умеем управлять и свойства которого научились использовать;

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;

никто никогда не видел электронов, но все знакомы с результатами его действий;

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

=h/(mv),

где m масса электрона,

h= 6,6e-27 эргсек знаменитая константа Планка.

Так как

v=(2e/mU),

то

=(12,25/U0,5)A;

здесь U выражено в киловольтах.

Так, например, при U=100 кв. =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 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.

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. 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.

Объективная линза предназначена для получения увеличенного электронного изображения (обычно увеличение100*). 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/(4f1f2),

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=2000040000. 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 (400000*) 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 10-910-10 м, мы по сравнению с метром 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 нужно даже обладать богатым воображением, чтобы увидеть своеобразную красоту мира сверх малых объектов и увлечься ею.

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 1мкм2). 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

=h/(mv)

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.

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).

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.