Сайт вебмастеров .

Электронный микроскоп — Университеты и ВУЗы Белгорода

Опубликовано: 02.09.2018

В прошлом столетии английский математик и механик В. Р. Гамильтон обратил внимание на то, что в распро­странении света и в движении тел много общего. Как све­товые лучи можно собрать с помощью линз, так можно сфокусировать и движущиеся с различными скоростями мелкие тела —частицы. Следовательно, используя такие частицы, можно так же получить изображение предмета, как и с помощью световых лучей. Практически идеи Га­мильтона были не осуществимы, так как сила тяжести, действующая на все тела, оказывала бы на работу такого «микроскопа» слишком большое искажающее влияние. Только после открытия электронов стало возможным сконструировать работающий с частицами микроскоп. Сила тяжести здесь практически уже не заметна, так как электрические силы, действующие на электроны, значи­тельно превышают ее. Так был создан электронный мик­роскоп, где вместо света для получения изображения ис­пользуется пучок электронов. Движение электронов при этом управляется электрическим и магнитным полями (используются так называемые электрические и магнит­ные линзы).

Проделаем следующий опыт.

Забьем в дно озера сваю так, чтобы она выступала над поверхностью воды, и посмотрим, какое влияние она ока­жет на движение волн. При легком ветре, когда поверх­ность воды покрыта только мелкой рябью, позади сваи волнения не замечаем. За сваей гладкая поверхность — тень от сваи.

Можно также заметить, что набегающие на сваю волны отражаются обратно. Иная картина при сильном ветре, когда по озеру ходят длинные волны. Они проходят мимо сваи, как будто ее и не существует. Никакой тени за сваей не образуется.

В прошлом столетии английский математик и механик В. Р. Гамильтон обратил внимание на то, что в распро­странении света и в движении тел много общего. Как све­товые лучи можно собрать с помощью линз, так можно сфокусировать и движущиеся с различными скоростями мелкие тела —частицы. Следовательно, используя такие частицы, можно так же получить изображение предмета, как и с помощью световых лучей. Практически идеи Га­мильтона были не осуществимы, так как сила тяжести, действующая на все тела, оказывала бы на работу такого «микроскопа» слишком большое искажающее влияние. Только после открытия электронов стало возможным сконструировать работающий с частицами микроскоп. Сила тяжести здесь практически уже не заметна, так как электрические силы, действующие на электроны, значи­тельно превышают ее. Так был создан электронный мик­роскоп, где вместо света для получения изображения ис­пользуется пучок электронов. Движение электронов при этом управляется электрическим и магнитным полями (используются так называемые электрические и магнит­ные линзы).

Проделаем следующий опыт.

Забьем в дно озера сваю так, чтобы она выступала над поверхностью воды, и посмотрим, какое влияние она ока­жет на движение волн. При легком ветре, когда поверх­ность воды покрыта только мелкой рябью, позади сваи волнения не замечаем. За сваей гладкая поверхность — тень от сваи.

Можно также заметить, что набегающие на сваю волны отражаются обратно. Иная картина при сильном ветре, когда по озеру ходят длинные волны. Они проходят мимо сваи, как будто ее и не существует. Никакой тени за сваей не образуется.

Совершенно аналогично обстоит дело и с микроскопом. Если будем рассматривать под микроскопом большой по сравнению с длиной световой волны предмет, то световые волны будут отражаться от него, а отраженный свет, соб­ранный с помощью линз, даст увеличенное изображение предмета. Если же предмет, помещенный под микроско­пом, меньше 0,3 микрона, то длина световой волны пре­вышает размеры предмета, и световые волны уже не рас­сеиваются правильно. В этом случае микроскоп не дает изображения предмета.

Для наблюдения в микроскоп за такими маленькими частицами пользуются излучением с более короткой дли­ной волны. Существуют микроскопы, в которых изобра­жение получается в невидимых глазу ультрафиолетовых лучах, имеющих, как известно, меньшую длину волны, чем видимые световые лучи. Так как ультрафиолетовые лучи сильно действуют на фотопластинку, то получаемое изображение можно фотографировать. Но таким способом можно рассматривать только частицы поперечником не меньше 0,1 микрона. Оптические микроскопы не позво­ляют изучать более мелкие предметы. На помощь здесь приходит электронный микроскоп.

Почему же электронный микроскоп обладает большей разрешающей силой, чем обычный оптический? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно хотя бы коротко расска­зать о природе элементарных частиц.

Оказывается, что электроны (и другие элементарные частицы) помимо малых размеров имеют целый ряд новых интересных свойств, которые отсутствуют у больших тел. Например, при изучении движущегося пучка электронов обнаруживаются своеобразные волновые явления, кото­рые можно сравнить с электромагнитными волнами; у пучка электронов можно измерить длину волны, частоту, скорость распространения и другие волновые свойства. В этом отношении пучок электронов не отличается сколь­ко-нибудь значительно от светового луча.

Теория волновых свойств электрона, изучаемая в так называемой волновой, или квантовой, механике, была соз­дана французским физиком Луи де Бройлем в 1924 г. На опыте волновые свойства пучка электронов были обнару­жены лишь спустя три года. Интересно отметить, что, создавая волновую механику, де Бройль исходил из идей Гамильтона и использовал теорию относительности.

Рассуждения де Бройля показывают, что пучок элект­ронов, движущихся со скоростью v, ведет себя как волна, длина л которой выражается формулой

λ = 7,28/mv

где ѵ — скорость электронов в см/сек; масса т — в долях массы покоя электрона (масса покоящегося электрона принимается равной единице); λ — см.

Для иллюстрации приведенной формулы рассмотрим пучок электронов, движущихся со скоростью 72 000 км/сек. Масса электронов при этом будет равна 1,03 массы покоя, т. е. т = 1,03 т0.

Вычисление по приведенной формуле показывает, что длина волны такого электронного пучка будет 0,01 мил­лимикрон (видимые фиолетовые световые лучи имеют дли­ну волны 400 миллимикрон). Это значит, что электронный микроскоп, в котором электроны движутся со скоростью 72 000 км/сек, позволяет наблюдать в 40 000 раз более мел­кие предметы, чем обычный оптический микроскоп. Наш глаз не воспринимает электронных лучей, но они прекрас­но действуют на фотопластинку.

В Советском Союзе серийно производятся электронные микроскопы с увеличением в 200000 раз. Для сравнения заметим, что оптический микроскоп увеличивает только в 2 000 раз.

Из формулы, приведенной выше, видно, что чем боль­ше скорость электронов v, тем меньше длина волны л, т. е. тем меньшие объекты можно наблюдать с помощью таких электронов. В современных электронных микроскопах при­меняются электроны, движущиеся со скоростью, большей половины скорости света. Очевидно, что при конструиро­вании таких микроскопов приходится очень строго учиты­вать «утяжеление» электронов. Если бы ученые не знали теории относительности, сознательно управлять электро­нами, имеющими такие большие скорости, было бы невоз­можно.

Использование в электронных микроскопах электро­нов, движущихся с большими скоростями, связано со мно­гими проблемами, в частности с проблемами чистоты и чет­кости изображения. Искажения изображения в электрон­ном микроскопе не позволяют пока исследовать даже го­раздо большие предметы, чем это предсказывает теория. Однако основывающаяся на теории относительности тео­рия электронного микроскопа укажет пути уменьшения искажений, что позволит повысить разрешающую способ­ность электронного микроскопа.

Вместо пучка электронов в микроскопе можно исполь­зовать и пучок протонов. Благодаря большей массе про­тонов разрешающая способность микроскопа в этом слу­чае еще выше. В настоящее время уже построены протон­ные микроскопы, которые дают увеличение в миллион раз.

Строительство под ключ © 2016 Возведение стен в малоэтажном строительстве
rss