В микроскопических наблюдениях предельное линейное разре шение равно 1,22A//D. 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 0,5 мкм) 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 уве личение потеряет всякий смысл после того, как на полученной фото графии можно будет увидеть глазом предельно разрешимые точки. Таким образом, если фотография, полученная на оптическом микро скопе, увеличена до такой степени, что одному микрону соответствует 0,5—1 мм, 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 обла дает свойствами волны, длина которой выражается формулой
mv '
где h — постоянная Планка, т — масса и у — скорость электрона. При напряжении 50 ООО В длина волны равняется 0,05 А. Но рас стояние между атомами больше 1 А. Таким образом, предельные воз можности электронного микроскопа не связаны с разрешающей способностью.
Расчет показывает, что конструкция электронного микроскопа в принципе позволяет добиться разрешающей способности 2—3 А. В настоящее время удается в отдельных случаях получать разре шение в 5—6 А, т. е. полезное увеличение до миллиона раз.
Как же устроен электронный микроскоп? Оказывается, что ме жду световой и электронной оптикой имеется очень много общего. В электронно-оптических приборах мы всегда найдем те же эле менты и те же принципы конструкции, с которыми приходится встре чаться в обычных оптических приборах. Главное различие (которое, впрочем, не имеет принципиального характера) состоит в том, что электронно-оптические линзы представляют собой устройства с не прерывно меняющимся «показателем преломления», так как элек трические или магнитные поля меняются в электронных линзах не скачком (как показатель преломления на границе стеклянной лин зы), а непрерывно. Схема микроскопа показана на рис. 197; / — 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 электрон ного микроскопа многобольше, чем оптического. Он занимает значи тельно больше места, потребляет электрическое напряжение, стоит значительно дороже. Все это возмещается его огромной разрешаю щей -силой.
Изображенный на схеме электронный микроскоп работает на магнитных линзах. Чтобы исключить столкновение электронов с мо лекулами воздуха, в системе создается доста точно высокий вакуум, порядка Ю - 5 мм рт. ст.
Электронная пушка создает пучок электронов с энергией, соответствующей 50 000 В. Таким образом, в установку должен быть включен высоковольтный трансформатор, повышающий напряжение сети до указанного значения.
Существуют различные способы рассмотре ния предмета при помощи электронного луча. Электроны очень сильно поглощаются вещест вом. Поэтому, если мы желаем рассматривать предмет «на просвет», то для этой цели годят ся лишь объекты с толщиной, измеряемой в долях микрона. При прохождении через тон кий слой вещества электроны по-разному рас сеиваются 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, ко торые прошли через вещество без рассеяния, а рассеянные лучи задержать диафрагмой (рис. 198, а). В этом случае наиболее яркими местами изображения будут те участки веще ства, которые не рассеивают электронов (в том числе места с малой толщиной слоя). Наобо рот, темными покажутся участки предмета, которые сильно рассеивают электронные лучи.
Рис. 197. Второй прием обратен первому (рис. 198, б). Объект помещается под углом к оси микро скопа и в линзы направляются только рассеянные электроны. Ясно,
что соотношение темных и светлых полей в изображении будет те перь обратным.
Рассмотрение предметов в электронном микроскопе производится обычно на подложке толщиной около 0,01 мкм. Эта подложка изго товляется 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 тем |
ной. |
|
|
|
Если |
рассматриваемые |
предметы слабо рассеивают электроны, |
то они будут плохо видны |
на общем фоне. Для |
получения большей |
Рис. 199.
контрастности прибегают к напылению различных металлов на рас сматриваемые предметы. Подложка с нанесенным объектом подстав ляется 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
ее электронного облака. Это удалось сделать с помощью особых микропроекторов.
На рис. 202 изображена схема электронно-ионного микропро ектора. Это — баллон, откачанный до вакуума Ю - 8 мм рт. ст., в который введены электроды, причем катод изготовляется в виде ос трия с весьма малым радиусом закругления. Форма катода позво ляет создать около него поля порядка Ю7 В/см. При таком поле из холодного катода начинают вырываться электроны, летящие ра диальным потоком. Если на пути потока находится препятствие,
&каеоеу
Рис. 202.
то на флуоресцирующем экране- (или фотопластинке) возникает те невое изображение. Если объект лежит на поверхности острия, то увеличение равно отношению расстояния от острия до экрана к ра диусу закругления острия. Особыми способами удается добиться ра диуса закругления меньше 200 А.
Если нанести молекулы какого-либо вещества на острие, то мож но увидеть их изображение на экране. Это удалось сделать для моле кул фталоцианина, имеющих размер около 15 А. На экране были четко видны форма молекулы, ее характерное четырехлепестковое строение, сгущен ия и разрежения электронной плотности.
Хотя этот способ никак нельзя рассматривать как осуществимый в стандартных лабораторных условиях для любых объектов, трудно переоценить возможность достижения полезного увеличения, пре вышающего миллион.
Однако разрешающая способность может быть повышена еще на порядок величины, а кроме того, может быть много увеличена четкость изображения, если осуществить тот же принцип рассмо трения объектов, заменив электронный пучок на ионный. Устройст во ионного проектора в принципе не отличается от схемы электрон ного проектора. На острие подается положительный потенциал и
при больших полях (108 В/см), от острия |
могут |
отрываться ионы. |
Для этого надо предварительно или во |
время |
работы проектора |
14 Д. И. Китайгородский |
417 |
осуществить адсорбцию атомов или молекул поверхностью острия. (В приборе, показанном на рис. 202, с помощью палладиевой тру бочки в баллон прибора вводится небольшое количество молекул водорода.) Как только нейтральные атомы молекулы) занимают место на поверхности острия, они отдают свой электрон и в виде положительных ионов направляются к экрану.
При помощи такого ионного проектора удалось уже получить изображение самого вольфрамового острия. Изображение возникает по той причине, что адсорбция атомов происходит в определенных местах вольфрамового кристалла. На полученном изображении удалось видеть периоды решетки, т. е. разрешение достигло 2—3 А.
§ 172. Электронно-лучевая трубка
Электронно-лучевая трубка — весьма распространенное устрой ство,— необходимый элемент телевизора, радиолокатора, осцилло графа. Принцип электронно-лучевой трубки мы поясним на про стейшем примере трубки (рис. 203), состоящей из электронной пушки / и двух конденсаторов 2, отклоняющих электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Рис. 203.
Рассмотрим применение электронно-лучевой трубки для записи быстрых процессов. Если напряжение на конденсаторы не наложено, то электронный луч идет вдоль оси прибора и создает точку на све тящемся экране. Положим, что на горизонтальную пару конден саторных пластин подано переменное напряжение (частота больше 20 Гц). Тогда, в такт с изменениями поля, электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. Ввиду ничтожной массы электронов это колебание будет практически безынерционным *). Мы не увидим движения луча, так как глаз не успевает следить за движениями светящегося пятна, а также потому, что экран обладает послесвечением.
Теперь вступает в ход вторая пара пластин, дающая так назы ваемую «временную развертку». На эту пару пластин накладывается
*) Безынерционность колебаний луча определяется скоростью осевого дви жения электронов. Поэтому для записи очень быстрых процессов применяются высоковольтные осциллографы.
пилообразное напряжение. Так как вторая пара пластин дает го ризонтальное отклонение луча, то под действием такого напряжения светящаяся точка будет двигаться, скажем, слева направо вполне равномерно. Дойдя до конца экрана, светящаяся точка прыжком бу дет возвращаться в исходное положение и процесс будет повторяться. Мы имеем возможность накладывать на пластины пилообразное на пряжение разной частоты и таким образом давать самый различный временной масштаб горизонтальному смещению пучка.
Если на пластины, дающие горизонтальное смещение луча, вклю чена временная развертка, а на пластины, дающие вертикальное смещение,— исследуемое напряжение, то луч будет вычерчивать кривую напряжения в функции времени, поскольку горизонтальная координата светящейся точки пропорциональна времени, отсчиты ваемому от произвольного мгновения.
Особенно эффектно применение осциллографа для наблюдения за периодическими процессами. Всегда удается подобрать времен ную развертку таким образом, чтобы картина, созданная лучом при одном пробеге слева направо, совпала с картиной, создаваемой при втором и следующих пробегах. Когда период развертки подобран, на осциллографе устанавливается неподвижная кривая, дающая величину напряжения в функции времени для любого временного интервала (меньше одного периода или равного нескольким пери одам).
Для создания пилообразного напряжения используется автоко лебательный процесс, весьма похожий на явление, описанное нами на стр. 86,— опрокидывание ванны с водой. Ход луча слева направо создается процессом непрерывной и равномерной зарядки конден сатора *). К зажимам конденсатора присоединяется разрядная труб ка. Пока разность потенциалов на трубке меньше потенциала зажи гания, ее присутствие не сказывается на зарядке конденсатора. Как только потенциал достигает критического значения, происходит очень быстрый разряд конденсатора и процесс начинается снова. Пилообразные колебания должны быть синхронизированы с иссле дуемым периодическим процессом.
Электронно-лучевую трубку можно усложнить, помещая между катодом и анодом модулятор. Он представляет собой металлический цилиндр, один из торцов которого закрыт диафрагмой с отверстием, примерно равным размеру катода. Подавая отрицательный потен циал на модулятор, мы получаем возможность изменять интенсив ность пучка. При некотором напряжении (запирающее напряжение) луч гасится полностью; это нужно делать, например, во время об ратного хода луча. С помощью модулятора можно, например, за пирать луч на время его обратного хода при развертке.
Чтобы одновременно наблюдать на экране две переменные величины, электронно-лучевую трубку снабжают электронным
*) Конденсатор заряжается и разряжается в соответствии с экспоненциальным законом. Однако, используя маленький кусочек экспоненты, эти процессы можно сделать достаточно близкими к линейным.
