§ 170. Электронный микроскоп

Электронный микроскоп, т. е. такой микроскоп, в котором роль лучей света играют электронные лучи, обладает исключительными, еще до конца не исчерпанными возможностями непосредственного «разглядывания» объекта. Дело заключается в том, что возможности увеличения объекта, рассматриваемого в электронном микроскопе, вообще говоря, неограниченны. В то же время оптический микроскоп может дать увеличение не более чем в

Чтобы понять причины этого различия, нам нужно познакомиться с понятием разрешающей способности микроскопа. Вопрос ставится следующим образом: каковы условия раздельного видения двух близких точек?

Представим себе, что перед щелью или круглым отверстием находится идеально точечный источник света. После того как свет пройдет через отверстие, возникнет дифракционная картина. Линза, поставленная позади отверстия, не соберет лучи в одну точку. Напротив, возникнет размытый кружок (или полоса, смотря по тому, идет ли речь о круглом отверстии или щели), окруженный чередующимися темными и светлыми кольцами. На стр. 333 мы вычислили величину этого размытия для щели. Радиус диска, которым изобразится точка после дифракции от отверстия, был приведен на стр. 334. Он равен

Каждый оптический прибор обязательно имеет входное отверстие — объектив. Дифракция на объективе является неизбежным обстоятельством, и любая светящаяся точка в фокальной плоскости прибора расплывается в светлый кружок. Угловой размер радиального размытия равен таким образом, линейные его размеры в фокальной плоскости будут Здесь имеют смысл фокусного расстояния и диаметра объектива. Для микроскопа эта формула дает лишь порядок величины, так как предмет близок к объективу и нельзя считать пучок лучей параллельным. Однако мы не станем вдаваться в детали, так как интересны лишь качественные оценки.

Если две светящиеся точки, которые наблюдаются в микроскоп, настолько близки, что светлые диски их изображений находятся своими центрами ближе друг к другу, чем на расстоянии, равном радиусу диска, то раздельное видение этих двух точек становится невозможным.

В микроскопических наблюдениях предельное линейное разрешение равно Так как отношение фокусного расстояния к диаметру объектива не может быть сделано существенно меньше единицы, то микроскоп позволяет разглядеть две точки, которые находятся на расстоянии порядка длины волны. Таким образом, при наблюдении в обычном свете (длина волны около мы лишены возможности разглядеть у объекта детали, выражающиеся сотыми долями микрона.

Какое же полезное увеличение дает оптический микроскоп? Представим себе, что некоторое изображение рассматривается при помощи окуляра, фотографируется, затем опять рассматривается с помощью окуляра и т. д. Совершенно ясно, что таким способом можно добиться сколь угодно большого увеличения. Однако увеличение потеряет всякий смысл после того, как на полученной фотографии можно будет увидеть глазом предельно разрешимые точки. Таким образом, если фотография, полученная на оптическом микроскопе, увеличена до такой степени, что одному микрону соответствует то этим достигнут предел полезного увеличения. Как мы видим, для микроскопа он лежит около 1—2 тысяч.

Как будет показано в следующей главе, электронный луч обладает свойствами волны, длина которой выражается формулой

где h - постоянная Планка, масса и скорость электрона. При напряжении В длина волны равняется 0,05 А. Но расстояние между атомами больше 1 А. Таким образом, предельные возможности электронного микроскопа не связаны с разрешающей способностью.

Расчет показывает, что конструкция электронного микроскопа в принципе позволяет добиться разрешающей способности 2—3 А. В настоящее воремя удается в отдельных случаях получать разрешение в 5—6 А, т. е. полезное увеличение до миллиона раз.

Как же устроен электронный микроскоп? Оказывается, что между световой и электронной оптикой имеется очень много общего. В электронно-оптических приборах мы всегда найдем те же элементы и те же принципы конструкции, с которыми приходится встречаться в обычных оптических приборах. Главное различие (которое, впрочем, не имеет принципиального характера) состоит в том, что электронно-оптические линзы представляют собой устройства с непрерывно меняющимся «показателем преломления», так как электрические или магнитные поля меняются в электронных линзах не скачком (как показатель преломления на границе стеклянной линзы), а непрерывно. Схема микроскопа показана на рис. 197; 1 — электронный прожектор, 2 — конденсорная линза, 3 — объект, 4 — объектив, 5 — промежуточное изображение, 6 — проекционная линза, 7 — конечное изображение, 8 — смотровое окно. Если желательно рассматривать изображение глазом, можно поставить

вместо фотопластинки флуоресцирующий экран. Размеры электронного микроскопа много больше, чем оптического. Он занимает значительно больше места, потребляет электрическое напряжение, стоит значительно дороже. Все это возмещается его огромной разрешающей силой.

Изображенный на схеме электронный микроскоп работает на магнитных линзах. Чтобы исключить столкновение электронов с молекулами воздуха, в системе создается достаточно высокий вакуум, порядка Электронная пушка создает пучок электронов с энергией, соответствующей Таким образом, в установку должен быть включен высоковольтный трансформатор, повышающий напряжение сети до указанного значения.

Рис. 197.

Существуют различные способы рассмотрения предмета при помощи электронного луча. Электроны очень сильно поглощаются веществом. Поэтому, если мы желаем рассматривать предмет «на просвет», то для этой цели годятся лишь объекты с толщиной, измеряемой в долях микрона. При прохождении через тонкий слой вещества электроны по-разному рассеиваются различными местами объекта. Это явление и используется для рассмотрения предмета. Существуют две схемы электронного видения, показанные на рис. 198. Можно пропустить только те электронные лучи, которые прошли через вещество без рассеяния, а рассеянные лучи задержать диафрагмой (рис. 198, а). В этом случае наиболее яркими местами изображения будут те участки вещества, которые не рассеивают электронов (в том числе места с малой толщиной слоя). Наоборот, темными покажутся участки предмета, которые сильно рассеивают электронные лучи. Второй прием обратен первому (рис. 198, б). Объект помещается под углом к оси микроскопа и в линзы направляются только рассеянные электроны. Ясно, что соотношение темных и светлых полей в изображении будет теперь обратным.

Рассмотрение предметов в электронном микроскопе производится обычно на подложке толщиной около Эта подложка изготовляется следующим образом. На поверхность воды помещается капелька раствора коллодия в амилацетате. Капелька расплывается по воде и образует тоненькую пленку, которая после испарения амилацетата приобретает достаточную прочность. Из тоненькой проволочки делают петельку и поддевают пленку — держатель объекта готов. При рассмотрении в прямом пучке подложка будет

казаться светлой. При косом падении луча она покажется темной.

Если рассматриваемые предметы слабо рассеивают электроны, то они будут плохо видны на общем фоне.

Рис. 198.

Рис. 199.

Для получения большей контрастности прибегают к напылению различных металлов на рассматриваемые предметы. Подложка с нанесенным объектом подставляется под поток атомов металла (полученный испарением металла в вакууме). При этом напыление происходит под углом к подложке (рис. 199). При таком приготовлении образец оттеняется. При

рассмотрении в электронных лучах возникает исключительно яркая картина, так как электроны рассеиваются только теми частями объекта, на которые попали атомы металла. На рис. 200 показано, как выглядит в электронный микроскоп вирус гриппа.

Рассмотрение объектов на подложке особенно важно для биологии и медицины. Бактерии зачерпываются держателем образца из той среды, где их присутствие подозревается. Легко изучать частицы, которые можно получить во взвешенном состоянии, чтобы их можно было зачерпнуть держателем.

Рис. 200.

Рис. 201.

К совершенно другим способам приходится прибегать для рассмотрения поверхности твердого тела. В некоторых случаях твердое тело может быть сделано эмиттером (испускателем) электронов. Пропуская этот пучок через линзы, мы можем увидеть поверхность. Однако в ряде случаев такая процедура невозможна: эмиссия мала, образец не должен быть нагрет и т. д. Тогда используют метод реплики. На поверхность предмета наносят тонкий слой вещества, который затем отделяется и рассматривается на просвет в электронном микроскопе. Как показал опыт, слои, образованные самыми различными веществами (органическими, металлами, кварцем), образуют точные отпечатки (реплики) изучаемой поверхности. Фотография поверхности матового стекла, полученная таким способом, приводится на рис. 201. Метод реплик требует тщательного экспериментирования. Нелегкой задачей является отделение нанесенного вещества. Один из возможных способов — растворение объекта при сохранении пленки.