Электронный микроскоп
Самое крупное усовершенствование методов микроскопического изучения мельчайших структур относится уже не к области оптической микроскопии, а к электронной микроскопии. Да и сам электронный микроскоп едва ли можно рассматривать как оптический прибор; его скорее следует считать электронно-оптическим устройством. Тем не менее электронные микроскопы по своим свойствам напоминают обычные световые микроскопы: они создают микроскопические изображения, хотя и превосходят оптические микроскопы в увеличении и возможностях применения. Правда, в микроскопии не всегда необходимо или желательно пользоваться предельно высокими увеличениями. Лучшие современные электронные микроскопы могут разрешать детали поперечником всего 5 А,-т. е. 1/20000000 см, — величина столь малая, что в подходящих условиях можно различить даже отдельные молекулы. Несмотря на это поразительное достижение, не следует забывать, что многолучевая интерферометрия может обеспечить такое же разрешение при помощи простейших средств (правда, только в направлении вверх — вниз).
В одной из предыдущих глав было упомянуто, что предел разрешения микроскопа устанавливается длиной световой волны. Ни при каких обстоятельствах нельзя разделить детали, находящиеся ближе друг к другу, чем половина длины волны используемого евета. Это была одна из причин, вызвавших разработку ультрафиолетового микроскопа, так как длина волны ультрафиолетового света вдвое меньше, чем у зеленого, а это значит, что по крайней мере теоретически ультрафиолетовые микроскопы могут иметь вдвое лучшее разрешение, чем визуальные микроскопы. Но существует излучение с гораздо меньшей длиной вой* ны. Рентгеновские лучи могут иметь длину волны всего 1 А, что составляет 1/5000 длины волны видимого све' та. Микроскоп, в котором вместо видимого света использовались бы рентгеновские лучи, мог бы иметь разрешение в 5000 раз лучшее, чем обычный, и позволял бы разрешить отдельные атомы. К сожалению, такой прибор неосуществим по той простой причине, что невозможно сделать линзы или зеркала, преломляющие или отражающие рентгеновские лучи так, чтобы их можно было сфокусировать и построить изображение. Тем не менее существует любопытный выход из этого затруднительного положения, позволяющий сконструировать микроскоп, в котором используются очень короткие длины волн. Это электронный микроскоп, в котором используются эффективные длины волн меньше 1/20 А, что д 100000 раз меньше, чем у видимого света.
Действие электронного микроскопа основано на открытии, сделанном практически одновременно сэром Джорджем Томсоном в Великобритании и Дейвиссоном и Джермером в США. Эти исследователи совершенно различными методами нашли, что движущиеся электроны обладают определенными волновыми свойствами. Ранее возможность этого была предсказана чисто теоретически французским физиком де Бройлем. Вспомним, что при обсуждении свойств фотонов мы отметили, что в некоторых экспериментах волны ведут себя как частицы, тогда как частицы, напротив, имеют волновые свойства.
Де Бройль указал, как вычислить длину волны, которая связана с движущимся электроном. Эта волна — не дополнительное постороннее свойство электрона, она неотъемлемая часть его самого, и ее длина зависит только от скорости электрона.
Скорости электронов в свою очередь определяются двумя различными факторами. Электроны могут освобождаться из вещества при его нагревании, при столкновениях частиц или благодаря фотоэффекту, но каким бы способом это ни произошло, они всегда имеют некоторую начальную скорость. Кроме того, электрон мржет приобрести дополнительную скорость при ускорении, скажем, в электрическом поле. Отсюда следует, что, меняя скорости электронов, можно изменить по желанию и длины.
Если электроны проходят в вакууме разность вотенциалов в 100000 6 (это нетрудно, осуществить при помощи трансформатора), то соответствующие длины электронных волн составляют 1/25 А — величину, которая в 125 000 раз меньше длины волны видимого света.
Электроны легко отклоняются электрическими или магнитными полями. К 1926 г. уже было установлено, что при соответствующей конфигурации поле может воздействовать на электроны точно так же, как линза действует на свет. Любопытно, что рождение «электронной оптики» предшествовало открытию волновых свойств электрона. Как раз в 20-х годах было открыто, что кольцевой магнит — тороид (напоминающий надутую велосипедную или автомобильную камеру), помещенный в поток электронов, может свести все электроны с данной скоростью в одну точку — фокус, так что можно построить электронное изображение.
Предположим, что объект может испускать электроны. Когда последние проходят через кольцевой магнит (показанный в разрезе), магнитное поле (пунктирные линии) действует так, что образуется увеличенное изображение предмета. Поле кольцевого магнита действует так же, как объектив светового микроскопа.
Составляя ряд магнитных линз, можно получить последовательно все более сильное увеличение. Существует тесная аналогия между путями световых лучей в обычном микроскопе и траекториями электронов в электронном микроскопе.
Электроны, вылетающие из источника, например раскаленной нити, ускоряются разностью потенциалов порядка 100000 в. Магнитная лииза превращает поток электронов в параллельный пучок. Последний падает на исследуемый объект, который должен быть предельно тонким. При прохождении через объект на них оказывают влияние локальные иэменеиия толщины и плотности объекта, т. е. столкновения с ббльшим числом атомов или с более тяжелыми атомами. В результате некоторые электроны поглощаются, а некоторые рассеиваются в стороны. Рассеянные электроны задерживаются небольшой диафрагмой, помещенной перед следующей линзой, и в результате строится электронное изображение предмета; например, области, которые пропускают больше электронов, будут выглядеть ярче. Построенное изображение увеличивается еще раз, а возможно, еще и в третий раз. В конце концов электроны попадают или на флуоресцентный экран, или на фотографическую пластинку. Поскольку весьма существенно предохранить пучок электронов от всяких посторонних воздействий, весь путь электронов от источника до фотографической пластинки должен проходить в высоком вакууме, иначе электроны будут сталкиваться с молекулами газа, что приведет к разрушению изображения.
Увеличение можно непрерывно изменять путем изменения силы тока, проходящего через катушки магнитных линз. Исследуемые объекты должны быть очень тонкими, иначе рассеяние электронов в объекте будет слишком сильным и никакого изображения не получится.
Поскольку длины волн электронов в микроскопе очень малы, можно ожидать, что электронный микроскоп должен обладать очень высокой разрешающей способностью. Если бы можно было использовать с электронными линзами такие же апертуры, как и у оцтических линз, то разрешение нашего электронного микроскопа составляло бы 1/50 А и позволяло бы без труда «видеть» отдельные атомы, которые имеют в поперечнике примерно 1 А.
На практике по ряду причин достичь такого разрешения не удается. Апертуры, которыми можно пользоваться при работе с электронными линзами, составляют всего 1/100 апертуры световых линз, и тем не менее линзы даже столь Малой апертуры имеют значительные аберрации. Даже сам принцип, в силу которого необходимо, чтобы рассеянные электроны «обрезались» для получения хорошего контрастного изображения, уже определяет малую апертуру первой же линзы, строящей изображение. В итоге самые лучшие и самые дорогие инструменты позволяют достичь разрешения 5 А. Это примерно в 250 раз хуже, чем предел, устанавливаемый только длиной волны электрон, но все-таки в 56в*ра» боаыне, чем для наилучших оптических микроскопов. Существует один прибор, работающий при разности потенциалов 106 ей, как утверждают, дающий разрешение 1 А. Однако электронный луч столь высокой энергии, вероятно, сильно повреждает иьучаемые объекты.
Вообще говоря, существует определенное различие в рассеянии на малые углы более тонких и менее плотных участков объекта по сравнению с более толстыми и более плотными. Это различие можно специально усилить, введя тяжелые атомы (например, платины) в отдельные участки объекта. Возросшее рассеяние за счет тяжелых атомов действует аналогично поглощению, обусловленному красителем в обычном методе окрашивания объектов, применяемом в оптической микроскопии.
Возможность использования электронов для предельно высокого разрешения и увеличения микрообъектов определяется прежде всего тем, что поток электронов должен фокусироваться на объекте в виде пятна очень малого размера. Диаметр пятна в любой микроскопической системе зависит от длины волны и апертуры линзы. Даже электронная линза с малой апертурой может создать пятно диаметром меньше 200 А. Большинство электронных микроскопов работает при напряжениях самое большее 100000 в, хотя, увеличивая напряжение, можно уменьшать длину волны электронов. Для этого имеется ряд причин. Во-первых, с увеличением напряжения становится труднее решать-проблемы изоляции и утечки. Во-вторых, когда энергия электронов в пучке становится слишком высокой, они нагревают и изменяют или даже разрушают исследуемый объект. В-третьих, с увеличением напряжения поднимается и цена.