Дифракция электронов. Электронный микроскоп

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 ¾ 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 ¾ 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» r»(m/V)=(9,1e-28)/(4/3*p*r­3)»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[3]. Вопрос о том, каким образом элек­трон удерживается как целое и не разлетается под действием сил расталкивания, выходит далеко за рамки этого реферата¼

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:

w»(v­2)/(2*s)»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:

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 ¾ 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 l=h/(m*v), где m ¾ масса электрона, а h= 6,6e-27 эрг*сек ¾ знаменитая константа Планка.

Так как v=(2*e/m*U), то l=(12,25/U­0,5)A°; здесь U выражено в киловольтах.

Так, например, при U=100 кв. l=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 ¾ 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 ¾ источник света (электронов);

2 ¾ конденсорная линза;

3 ¾ объект;

4 ¾ объективная линза;

5 ¾ промежуточное изображение;

6 ¾ проекционная линза;

7 ¾ 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=L­2/(4*f1*f2),

где L ¾ расстояние между объектом и плоскостью изображения;   f1 и f2 ¾ 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 1¾ 2 м, а величины f1 и f2 составляют порядка 1,5 ¾ 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 ¾ 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 ¾ 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 ¾ 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. 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 ¾ 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 ¾ моле­кулы ДНК, РНК, хранящие вековечный код жизни, воспроизводящие и осуществляющие эту жизнь, ¾ 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.

Страницы: 1, 2, 3