Дифракция электронов. Электронный микроскоп
Скачать 419.45 Kb.
|
Рис. 6. Электорнограмма высокого разрешения (окись цинка): вверху электронограмма; внизу увеличенное изображение участка А. В нашей стране и за рубежом применяются специализированные электронографы промышленного типа. Кроме того, в некоторых электронных микроскопах предусмотрена возможность работы в режиме электронографии. Следует заметить, что с точки зрения физики получение электронограмм представляет собой процесс, во многом близкий процессу получению рентгенограмм в рентгеноструктурном анализе. Действительно, если в электрографии используется дифракция электронов, то в рентгеноструктурном анализе происходит дифракция рентгеновских лучей на атомных структурах. Естественно, что каждый из этих методов имеет свою область применения. Особенности работы с электронным микроскопом. Остановимся кратко на основных приемах работы в электронной микроскопии. Естественно, что эти приемы своеобразны, учитывая сверхмалые размеры объектов, подлежащих исследованию. Так, например, в биологических исследованиях находят применения «сверхтонкие ножи» - микротомы, позволяющие получать срезы биологических объектов толщиной менее 1 мкм. Главные особенности методики электронной микроскопии определяются необходимостью помещения объекта исследования внутрь колонны электронного микроскопа, т.е. в вакуум и обеспечения условий высокой чистоты, так как малейшие загрязнения могут существенно исказить результаты. Для просвечивающего электронного микроскопа объект приготовляется в виде тонких пленок, в качестве которых могут служить различного рода лаки, пленки металлов и полупроводников, ультратонкие срезы биологических препаратов. Кроме того, объектами исследования могут быть тонко измельченные (диспергированные) совокупности частиц. Обычно в просвечивающих микроскопах, работающих при напряжениях 50-100 кв, толщина объектов не может превышать 200 А(для неорганических веществ) и 1000 А (для органических). Биологические объекты в большинстве случаев приходится контрастировать, т.е. «окрашивать» (солями тяжелых металлов), оттенять напылением металлов (платиной, палладием и др.) и использовать ряд других приемов. Необходимость контрастирования вызвана тем, что большинство биологических объектов содержит атомы легких элементов (с малым атомным номером) - водород, углерод, азот, кислород, фосфор и т.д. в то же время толщина объектов, интересных для биологии и медицины, составляет величину порядка 50 А. Без контрастирования при электронно-микроскопических исследованиях вирусов наблюдаются бесструктурные пятна, а отдельные молекулы нуклеиновых кислот вообще неразличимы. Использование методов контрастирования позволяет эффективно применить электронную микроскопию в биологических исследованиях и в том числе при исследованиях больших молекул (макромолекул) см., например, рис. 7. Рис. 7. РНК из вируса табачной мозаики (из раствора с ионной силой 0,0003 мкм). В ряде случаев при исследовании, например, массивных объектов в технике широкое применение находит метод получения отпечатков, который заключается в изготовлении и последующем исследовании в микроскопе копий поверхностей объектов. Используются как естественные отпечатки (тонкие слои окислов), так и искусственные, получаемые путем нанесения (напыления, осаждения) пленок кварца, углерода и других веществ. Наибольшее разрешение ( 10 А) позволяют получить угольные реплики, которые находят широкое применение как в технике, так и в биологии. При наблюдении электронно-микроскопическими методами влажных объектов ( в том числе живых клеток) используются вакуумно-изолированные газовые микрокамеры. Объекты исследования помещаются в электронных микроскопах на тончайшие пленки - подложки, которые крепятся на специальных сетках, изготовляемых обычно из меди электролитическим способом. Эти пленки должны удовлетворять целому ряду требований, поскольку относительно большая толщина их, а также сильное рассеяние ими электронов приводят к резкому ухудшению качества изображения объекта. Кроме того, материал таких пленок должен обладать хорошей теплопроводностью и высокой стойкостью к электронной бомбардировке. Кстати, об электронной бомбардировке объекта исследования и ее последствиях. При попадании электронов на объект они выделяют энергию, примерно равную кинетической энергии их движения. В результате могут происходить местный разогрев и разрушение участков объекта. Электронный микроскоп часто используется для микрохимического анализа исследуемого вещества согласно методу, предложенному М. И. Земляновой и Ю. М. Кушниром. По существу этот метод аналогичен методу микрохимического анализа с помощью оптического микроскопа. В данном случае электронный микроскоп используется в качестве устройства, способного обнаружить малые количества искомого вещества (по форме и структуре кристаллов и т.п.). на поверхность водного раствора, в котором предполагается наличие искомых ионов, наносится капля 1 — 1,5% раствора нитроклетчатки в амилацетате. Капля растекается по поверхности жидкости и образует коллодиевую пленку, на которую наносится капля реагента. Ионы реагента проникают (диффундируют) сквозь пленку и, взаимодействуя с раствором, образуют на поверхности пленки кристаллы, которые содержат ионы, подлежащие обнаружению. После специальной очистки кусочек пленки с кристалликами помещается в электронный микроскоп, и на основе изучения этих кристалликов оказывается возможным дать ответ о наличии искомых ионов, а в ряде случаев — и об их концентрации. Такой метод микрохимического анализа характеризуется высокой чувствительностью (на 2 — 3 порядка большей по сравнению с другими способами). Например, ионы марганца могут быть обнаружены в растворе с концентрацией не ниже 10-11 нормального раствора при содержании иона 10-11 г (по данным А. М. Решетникова). Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии. К настоящему времени электронная микроскопия достигла больших успехов и нашла многочисленные применения. Однако в ряде случаев, о которых кратко было сказано выше, было бы чрезвычайно желательным добиться дальнейшего прогресса в электронной микроскопии. Это в первую очередь относится к проблеме достижения большей разрешающей способности. На пути решения этой краеугольной задачи стоят чрезвычайно серьезные технические трудности, связанные с проблемами создания электронных линз, их взаимного расположения формирования односкоростных электронных потоков. Совокупность этих факторов приводит в конечном итоге к различного рода искажениям, играющим важную роль при больших увеличениях и приводящим к тому, что практически достигаемое разрешение оказывается хуже предельного. По мере приближения электронной микроскопии к своим предельным возможностям все труднее и труднее становится вносить в нее дальнейшие усовершенствования. Самые последние достижения в электронной микроскопии основаны на применении новых высоковольтных (V = 100 кв) и сверхвысоковакуумных (вакуум 2e-10 мм рт.ст.) приборов. Высоковольтная электронная микроскопия, как показывает опыт, позволяет уменьшить хроматическую аберрацию электронных линз. В печати сообщается, например, о том, что с помощью нового японского микроскопа SMH-5 могут быть получены фотографии решеток с межплоскостным расстоянием 1 А. Сообщается также, что на новом электронном микроскопе с ускоряющим напряжением 750 кв получено разрешение, равное 3 А. Рассматриваются возможности применения в электронной микроскопии линз из сверхпроводящих сплавов (например, Hi Zn), которые позволят получить высокие оптические свойства электронных систем и исключительную стабильность полей. Ожидается, что использование специальных линз-фильтров позволит получить новые результаты в отражательной электронной микроскопии. При использовании таких линз в просвечивающем электронном микроскопе удалось существенно улучшить их разрешающую способность. В растровых электронных микроскопах просвечивающего типа к настоящему времени достигнута разрешающая способность в 100 А. Новый эмиссионный микроскоп позволяет получать разрешения деталей с размерами от 120 (для фотоэмиссии) до 270 А (для вторичной эмиссии). Вызывает интерес сообщение о том, что голландская фирма Philips вносит ряд усовершенствований в микроскоп типа EM-300, которые позволят довести практическую разрешающую способность до теоретического предела (!). Правда, о существе этих усовершенствований пока не сообщается. Важность проблемы улучшения разрешающей способности в электронной микроскопии, приближение ее к теоретическому пределу стимулировала проведение целого ряда исследований в этой области. Из многочисленных предложений и идей, зачастую остроумных и весьма перспективных, остановимся на идеях, высказанных английским физиком Габором, получивших в последние годы широкое развитие в оптике, радиофизике, акустике, особенно в связи с созданием оптических квантовых генераторов (лазеров). Речь идет о так называемой голографии, о которой известно сейчас не только специалистам, но и всем тем, кто интересуется новейшими достижениями физики. Вместе с тем не все, наверное, знают, что первые работы Габора по голографии, проведенные еще в «долазерный» период (1948-1951), были поставлены и выполнены именно в связи с задачей повышения разрешающей способности в электронной микроскопии. Сущность предлагавшегося метода сводилась к следующему. Монохроматический поток электронов, т.е. поток, содержащий электроны с одинаковыми скоростями, освещает объект исследования (по схеме просвечивающего или теневого микроскопа). При этом происходит дифракция электронов на объекте (вспомним волновые свойства электронов!). Обычно в электронном микроскопе пучок, претерпевший дифракцию на объекте, поступает в систему электронных линз, формирующих изображение и обеспечивающих нужное большое увеличение. Однако эти же линзы, как мы уже отмечали, являются источниками трудно устранимых искажений, препятствующих достижению теоретического разрешения. В новом методе предлагалось фиксировать результат дифракции электронов фотографически в виде дифракционной картины и подвергать эту картину последующей обработке с помощью оптических методов, где получение нужных усилений может быть достигнуто с меньшими искажениями. В таком двухступенчатом процессе получения изображений основное увеличение достигается за счет перехода от «электронных» длин волн к оптическим. При этом следует отметить, что обрабатываемая оптическими методами картина дифракции практически не имеет сходства с объектом исследования. Однако с помощью светового излучения (видимого) по этой картине в несложном оптическом устройстве можно восстановить изображение исследуемого объекта. Для этого источник излучения должен посылать монохроматические когерентные волны, т.е. должен обладать теми свойствами, которые так ярко проявляются у оптических квантовых генераторов. Заметим, что, образно говоря, в этом двухступенчатом процессе мы фиксируем, «замораживаем» фронт электронных волн и потом воспроизводим его вновь в виде фронта световой волны в значительно большем масштабе, используя при этом различие длин волн света и электронов (это соотношение, например, может быть порядка 6000А/0,030А 200000). В таком «безлинзовом», а потому и не вносящим искажений увеличении и заключается основное достоинство метода голографии в электронной микроскопии. К числу новых направлений следует также отнести область микроскопии, использующую вместо электронов другие виды микрочастиц, тяжелых по сравнению с электронами. В этом случае дифракционный предел, предсказываемый теорией, смещен в более далекую область малых размеров. Примером такого направления микроскопии является развивающаяся автоионная микроскопия. В автоионных микроскопах, используемых при исследовании физики поверхностных явлений, главным образом в металлах, оказывается возможным видение отдельных атомов. Методика автоионной микроскопии весьма своеобразна; эта область претерпевает бурное развитие. Как же далеко мы сможем еще продвинуться по пути раскрытия тайн микрообъектов? Мы видим, что за исторически короткий срок, используя новейшие достижения физики и радиоэлектроники, электронная микроскопия превратилась в мощное орудие исследования природы. Обозримое будущее этой области науки связано с реализацией дерзновенных проектов создания таких приборов, которые позволят «приблизить» и сделать зримым многообразный и красочный микромир. Далеко не всё ещё ясно на этом пути, на котором постоянно возникают всё более и более сложные научно-технические и технологические проблемы. Современные приборы микроскопии являются несравненно более сложными устройствами, чем микроскопы недавнего прошлого. Уже сейчас мы сталкиваемся с очевидным фактом: приборы микроскопии становятся всё более сложными и громоздкими по мере проникновения в ранее недосягаемые тайны мира малых объектов. Дальнейшее усложнение этих приборов, увеличение затрат на их изготовление определяются необходимостью разрешения новых всё более сложных проблем. Здесь уместно провести аналогию с развитием экспериментальной ядерной физики, где получение информации о свойствах микрочастиц вещества, из которых состоят ядра атомов, связано с созданием сложнейших и, как правило, чрезвычайно громоздких и дорогих приборов и установок. Получение информации, раскрывающей тайны микромира, оплачивается высокой ценой. Однако происходящие при этом затраты интеллектуальных и материальных ресурсов, как показывает опыт истории науки, безусловно, окупаются теми возможностями, которые открываются при этом в технике, физике, химии, биологии и медицине. Литература:
Ðèñóíêè: 1 Напомним, что 1 (ангстрем) = 10e-10 м. 2 В абсолютной системе единиц коэффициент преломления вакуума равен единице. 3 Обратим внимание на то, что масса электрона по данным 1996 г. известна с относительной погрешностью не более 0,00003, а заряд не более 0,00002. |
Похожие:
 | На уроках химии можно продемонстрировать любую химическую реакцию Интерактивная доска позволяет сделать урок более эффективным: использую презентации, обучающие программы, видеоролики, на уроках... | | Представляемые в доклад президента ран ГВ/см. Заряд электронов в пучке составил 10 пК, энергия электронов 200 МэВ, ширина энергетического спектра 10%, угловая расходимость... |
| Стоматологический микроскоп: незаменимый инструмент в эндодонтической практике Сегодня ведущие практикующие стоматологи и исследователи сходятся во мнении, что стоматологический микроскоп в эндодонтии расширил... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Оборудование – микроскоп, чашки Петри, предметное стекло, покровное стекло, пипетки, пластилин, цветные карандаши, микроскоп с видеокамерой... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Наименование прорабатываемой на занятиях темы Дифракция. Дифференциальная решетка | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Электронный классный журнал (далее эж) электронный сервис, обеспечивающий учет выполнения учебных программ, успеваемости и посещаемости... |
| Положение о научном электронном журнале Экономического факультета... Положение определяет организационно-технологические требования к сетевому электронному научному журналу «Научные исследования экономического... | | Электронный учебник Вашему вниманию представляется Электронный учебник «История Древней Руси в лицах. Владимир Красное Солнышко» в форме web-сайта, выполненного... |
| Методические рекомендации учителям по работе с Электронным классным журналом ... |  | Рабочая программа электронный документооборот и делопроизводство Электронный документооборот и делопроизводство / авт сост. Корец В. В. – Спб.: Ивэсэп, 2012 |
| При центральной избирательной комиссии российской федерации электронный дайджест Электронный дайджест публикаций средств массовой информации по выборной тематике подготовлен на основании открытой информации, размещенной... | | Урок №27 Рисование на тему: «Богатырские кони» В кабинете №4 имеется компьютер, проектор, принтер, ксерокс, модульная система экспериментов, цифровой микроскоп |
| Тематическое планирование. Биология 6 класс Знать устройство увеличительных при-боров и правила работы с ними, уметь подготовить микроскоп к работе | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Электронный классный журнал (далее электронный журнал) является государственным нормативно-финансовым документом, и ведение его является... |
| Методические рекомендации по соблюдению норм и правил пожарной безопасности,... Школа самоопределения личности [Электронный ресурс]: моу "Гимназия №18". Старый Оскол, 2004 | | Electromotive force and resistance Как было ранее staled, всегда есть беспорядочное движение свободных электронов во всех веществ, особенно металлы |
