4. Волновые свойства частиц. Электронная микроскопия.

Первым шагом в создании квантовой механики явилось обнаружение волновых свойств микрочастиц.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 году пришёл к выводу, что любая движущаяся частица вещества, как и квант излучения, обладает не только корпускулярными свойствами, но и волновыми, которые можно охарактеризовать, сопоставляя частице некоторую волну, длина которой связана с импульсом p частицы таким же соотношением, как и для фотона, т.е.: ,

где m – масса частицы; - её скорость; h – постоянная Планка.

Эту волну называют волной де Бройля. Она характеризует волновые свойства движущейся частицы. Длина волны де Бройля весьма мала. Для электрона при =10⁸ м/с она имеет порядок 7А (710^-10 см), т.е. соответствует длине рентгеновского излучения. Гипотеза де Бройля была столь необычной, что многие крупные физики не придали ей какого-либо значения, однако несколькими годами позже наличие у движущихся частиц волновых свойств было подтверждено экспериментально. В 1927 г. К.Дэвисон и Л.Джермер наблюдали на монокристалле никеля дифракцию электронов.

В более поздних опытах была обнаружена дифракция при пропускании пучка электронов с высокой энергией через металлическую фольгу (поликристаллическое тело). Электроны рассеиваются на фольге и на фотопластине или флуоресцирующем экране образуется дифракционная картина, состоящая из ряда концентрических темных и светлых колец (рис.8). Подобная картина получается при прохождении через такую же фольгу пучка рентгеновских лучей.

Волновые свойства частиц можно использовать для получения увеличенных изображений предмета. Из сказанного раннее следует, что предел разрешения оптического микроскопа, в основном, определяется значением длины волны. Уменьшить предел разрешения позволяет электронный микроскоп, в котором носителем информации о предмете является поток электронов, которые, пройдя через вещество, будут рассеиваться по различным направлениям. Найдём зависимость длины волны де Бройля электронов от ускоряющего напряженя:

откуда , но , тогда .

Из формулы видно, что  зависит от ускоряющего напряжения (остальные величины являются постоянными). Подставив в формулу предела разрешения оптического микроскопа длину волны де Бройля для электронов, получим для электронного микроскопа: .

Характер рассеивания электронов зависит от структуры слоя вещества, через которые они проходят. Объекты исследования обычно приготовляются в виде плёнок, ультратонких срезов и размещаются на специальных рамках или сетках из тончайшей проволочки, а также плёнках-подложках, не имеющих собственной структуры. Для работы с электронным микроскопом пригодны очень тонкие объекты (5-100нм), потому что электроны сильно поглощаются и рассеиваются веществом.

Изображение, которое получается на экране или фотопластинке, отобразит структуру объекта. При этом оно может быть значительно увеличено по сравнению с предметом.

Основное различие оптического и электронного микроскопов состоит в том, что с объектом взаимодействуют не лучи света, а пучок быстрых электронов. Поэтому вместо системы оптических линз в электронном микроскопе движением электронного пучка управляют магнитные или электрические поля (магнитные или электрические линзы). Такие поля получают с помощью катушки с током или системы заряженных электродов. Магнитные линзы более часто употребляются, так как дают меньше искажений. На рис.9 схематически показана электронно-оптическая система простейшего электронного микроскопа с магнитными линзами.

П учок быстрых электронов из электронной пушки (1) попадает в конденсорную линзу (2), направляющую пучок нужного сечения на исследуемый объект (3). За счёт различной степени рассеяния электронов разными участками объекта, отличающимися толщиной, плотностью или химическим составом, пучок проходящих через объект электронов несёт на себе информацию об этом объекте. Объектная линза (4) даёт промежуточное (увеличенное в несколько раз) изображение (5) объекта. Проекционная линза (6) образует конечное изображение (7), которое регистрируется фотографическим способом, либо наблюдается визуально на люминесцентном экране в специальное смотровое стекло. Все эти узлы соединены друг с другом, образуя колонку микроскопа, внутри которой поддерживается низкое давление (10^-2-10^-3 Па). Рабочее напряжение для разгона электронов достигает 50-100 кВ. Максимальное увеличение Г микроскопа, имеющего кроме конденсора и объектива, только одну проекционную линзу, определяется фокусным расстоянием f₁ и f₂ объектной и проекционной линз и расстоянию L между объектом и плоскостью конечного изображения: . Обычно величины f₁ и f₂ составляют несколько миллиметров, а L равно 1-2 м. Полезное увеличение микроскопов достигает 10⁶, а предел разрешения Z0,1 нм, что в сотни раз лучше, чем у оптического микроскопа. Следует отметить, что применение ускоряющего напряжения, большего 100 кВ, хотя и повышает разрешающую способность микроскопа, но связано с разрушением исследуемого объекта электронами, имеющими большую скорость.

Изображение в электронном микроскопе может формироваться за счёт прохождения электронов сквозь объект и в этом случае микроскоп называется просвечивающим, если же изображение образуется отражёнными от объекта электронами, то микроскоп называется отражательным. Для биологических исследований используются, в основном, просвечивающие микроскопы.

С помощью электронного микроскопа получены уникальные снимки различных клеток, субклеточных структур, вирусов, бактерий. Можно наблюдать крупные органические молекулы (например, РНК при увеличении в 10⁵ раз). Электронная микроскопия позволяет изучать строение клеточных мембран, нервных волокон. С помощью электронного микроскопа впервые был увиден ген. Используемый отечественный микроскоп ЭВМ-100-ЛМ даёт максимальное 600000-кратное увеличение и предел разрешения порядка 310^-10м (0,3 нм).