Физика микромира

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)/(4/3(((r(3)(10(11 г/см(3

(!). 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[3]. 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=(2(e/m(U)(0,5(6e7 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 U(100 кв.) при этом будет

весьма велико:

(((v(2)/(2(s)(10(23 см/сек(2 (!).

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 10(19

частиц в секунду!).

Итак, положение с электронами выглядит своеобразно:

1) есть объект, которым мы умеем управлять и свойства которого

научились использовать;

2) 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;

3) никто никогда не видел электронов, но все знакомы с результатами его

действий;

4) 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/(m(v), где m ( масса электрона, а

h= 6,6e-27 эрг(сек ( знаменитая константа Планка.

Так как v=(2(e/m(U), то (=(12,25/U(0,5)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 (общий вид его приведён на

рис. 3) 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.

Рис. 3. Электронный микроскоп EM8 фирмы АЕС-Цейсс.

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. Устройство такого

микроскопа показано на рис. 4 (слева для сравнения показано устройство

оптического микроскопа). 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.

Рис. 4. Схемы устройств оптического микроскопа (а) и электронного

микроскопа просвечивающего типа (б):

1 ( источник света (электронов);

2 ( конденсорная линза;

3 ( объект;

4 ( объективная линза;

5 ( промежуточное изображение;

6 ( проекционная линза;

7 ( конечное изображение.

Объективная линза предназначена для получения увеличенного

электронного изображения (обычно увеличение(100*). 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=L(2/(4(f1(f2),

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=20000(40000. 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 (400(000*) 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(-9(10(-10 м, мы по сравнению с метром ( величиной, сравнимой с

длиной шага, совершаем скачок в миллиарды (10(9) 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.

Посмотрите на рис. 5, и вы в этом убедитесь.

Рис. 5. Кристалл K2PtCl4, выраженный на пленке из водного раствора.

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

Страницы: 1, 2, 3