1.6 Электронный микроскоп.

1.6.1 Волновые свойства частиц. Дифракция электронов.

В 1924г. Французский ученый Луи де Бройль высказал гипотезу, утверждающую, что элементарная быстродвижущаяся частица, наряду с корпускулярными свойствами обладает и волновыми свойствами. Эта гипотеза основывалась на аналогии с двойственной природой электромагнитных волн: наряду с волновыми свойствами, электромагнитные волны обладают корпускулярными (квантовыми) свойствами.

Согласно гипотезе де Бройля, всякой элементарной быстродвижущейся частице свойственна длина волны, которая связана с импульсом частицы p = mv таким же соотношением, что и для фотона, т.е.

, (1.8)

где m-масса частицы, v- скорость частицы, λ - длина волны, называемая длиной волны де Бройля. Для электрона, при скорости v = 10⁶ м/с длина волны де Бройля λ = 7·10^-10м, что соответствует длине волны рентгеновского излучения.

Гипотеза де Бройля получила первое экспериментальное подтверждение в 1927 году в опытах американских ученых Д. Дэвиссона и Л. Джермера: при исследовании рассеяния электронов на кристаллах была обнаружена дифракция электронов.

В более поздних опытах дифракция электронов наблюдалась при пропускании пучка электронов с высокой энергией через тонкую металлическую фольгу (толщиной 10^-3 – 10^-5 см). Электроны, проходя через фольгу, рассеиваются на содержащихся в ней мелких беспорядочно расположенных кристалликах и затем попадают на экран или фотопластинку. На экране образуется дифракционная картина, состоящая из ряда концентрических темных и светлых колец. Если через эту же фольгу пропустить R-излучение с длиной волны, равной длине волны де Бройля для электронов, то на экране образуется подобная дифракционная картина. Была также осуществлена дифракция нейтронов и других микрочастиц. Эти опыты подтверждают, что элементарные быстродвижущиеся частицы способны к дифракции, что означает наличие у них волновых свойств наряду с корпускулярными.

1.6.2 Устройство электронного микроскопа. Предел разрешения.

Электронный микроскоп – микроскоп, в основе которого лежат волновые свойства электронов. Длина волны де Бройля для электронов во много раз меньше длины световых волн и, следовательно, электронный микроскоп может иметь разрешающую способность в десятки тысяч и более раз бóльшую, чем оптический.

По принципу устройства электронный микроскоп имеет много общего с оптическим. Основное различие состоит в том, что с исследуемым объектом взаимодействуют не лучи света, а пучок ускоренных электронов. Поэтому, вместо системы оптических линз, в электронном микроскопе движением электронного пучка управляют магнитные линзы (электромагнитные катушки с током) (рис.1.16).

И сточником ускоренных электронов в электронном микроскопе является электронная пушка (1) с высоким рабочим напряжением (50-100) кВ.

Рис.1.16

Пучок быстрых электронов из электронной пушки попадает в конденсорную катушку (2), которая направляет его на тончайший слой исследуемого объекта (3). При этом происходит рассеяние электронов микроструктурой исследуемого объекта. Степень рассеяния электронов различными участками объекта, отличающимися толщиной, плотностью или химическим составом не одинакова и, следовательно, пучок рассеянных электронов несет информацию об этом объекте. Далее рассеянный пучок электронов фокусируется и направляется на люминесцентный экран (или фотопластинку). Полученное изображение на экране отражает микроструктуру исследуемого объекта и называется электронным изображением объекта. Оно получается значительно увеличенным с помощью системы магнитных линз: объектной 4 и проекционной 6. Все эти узлы соединены друг с другом, образуя колонну электронного микроскопа, внутри которой поддерживается очень низкое давление ≈ 10^-4 мм рт. ст. Предел разрешения z электронного микроскопа определяется по формуле:

, (1.9)

где h -постоянная Планка, m- масса электрона, e- заряд электрона, U – рабочее напряжение в электронной пушке, n sinθ- числовая апертура электронного микроскопа, зависящая от его устройства. Предел разрешения электронного микроскопа z = (0,01- 0,1) нм, а полезное увеличение – 10⁶.

Препараты для электронного микроскопа должны иметь толщину от 5 нм до 100 нм и обычно изготавливаются в виде пленок, ультратонких срезов и размещаются на специальных пленках-подложках, не имеющих собственной структуры.

С помощью электронных микроскопов получены уникальные снимки клеток, субклеточных структур, вирусов, некоторых крупных органических молекул. С помощью электронного микроскопа ученые впервые увидели ген, а затем определили, как он работает. Электронная микроскопия позволяет изучать строение клеточных мембран, нервных волокон и т.д.

Контрольные вопросы

1. Что понимают под абсолютным (относительным) показателем преломления среды?

2. При каком условии наблюдается полное внутреннее отражение света?

3. Как применяется в медицине явление полного внутреннего отражение света?

4. Что понимают под фокусом и оптической силой линзы?

5. Каковы причины возникновения аберрации линз?

6. Объясните различие сферической, хроматической аберраций и астигматизма.

7. Что понимают под аккомодацией глаз?

8. Что такое угол зрения глаза?

9. Что понимают под разрешающей способностью глаза?

10. Как исправляются такие недостатки оптической системы глаза как близорукость, дальнозоркость и астигматизм?

11. Изобразите ход лучей в микроскопе.

12. Что такое оптическая длина тубуса?

13. Что понимают под увеличением, разрешающей способностью, пределом разрешения микроскопа?

14. В чем заключается гипотеза Луи де Бройля, которая легла в основу создания электронного микроскопа?

15. От чего зависит предел разрешения электронного микроскопа?

16