Электронный микроскоп

М. КОРЕЦ

Человеческий глаз видит свет. Поэтому можно видеть все испускающие свет предметы: солнце, звезды, светлячка, раскаленную нить электрической лампочки, пламя свечи. Свет не всегда попадает в глаз прямо от первоисточника. Ночью на небе видна луна, но свет от луны — это не ее «собственный» свет, — это свет солнца, отраженный луной.

При луне виден дом потому, что в глаз попадает свет солнца, отраженный луной и потом отраженный домом.

Предмет невидим, если он поглощает или пропускает весь падающий на него свет, потому, что нет отражения хотя бы части световых лучей. Предмет невидим, если он очень мал, потому, что лучи света от его краев сходятся в глазу под таким малым углом, что глаз не различает контура предмета.

Но можно наблюдать не предмет, а его увеличенное изображение. Для того чтобы получить увеличенное изображение какого-нибудь предмета, необходимо, чтобы он был либо светящимся, либо хорошо освещенным.

Возьмем, например, освещенную стрелочку. Недалеко от нее поставим светонепроницаемую коробку — «камеру-обскуру» — с маленьким отверстием в передней стенке и с матовым экраном на задней стенке. Лучи света пройдут через отверстие и дадут на экране опрокинутое и увеличенное изображение. Оно будет больше стрелочки во столько же раз, во сколько расстояние от отверстия до экрана больше, чем расстояние от стрелочки до отверстия.

Казалось бы, что, приближая рассматриваемый предмет к отверстию и удлиняя камеру-обскуру, можно увидеть увеличенное изображение бесконечно малого предмета. Но в действительности это не так.

На экране большой камеры-обскуры получается изображение пейзажа. Изображение уменьшенное, так как расстояние от освещенных предметов до отверстия камеры-обскуры больше, чем расстояние от отверстия до экрана. Наверху схематически показано, как может в камере-обскуре получаться увеличенное изображение.

Отверстие должно быть меньше, чем светящийся предмет, в противном случае на экране получится изображение отверстия, а не предмета.

Но сделать отверстие меньше нескольких микронов (микрон — одна десятитысячная сантиметра) нельзя. Следовательно, при помощи камеры-обскуры нельзя увеличивать изображение предметов, размеры которых меньше нескольких микронов.

Можно еще другим способом получать увеличенные изображения. При этом пользуются явлением преломления луча при переходе из одной среды в другую. На рисунке показано, как изгибаются лучи света, идущие от стрелки через выпуклую линзу, и как с другой стороны линзы получается увеличенное изображение стрелки. Если лучи, идущие от изображения, увеличенного в десять раз, пропустить через вторую линзу, можно увидеть это изображение увеличенным еще в десять раз. Таким образом можно получить изображение в сто раз большее, чем сам предмет. Тонкий волосок покажется толстым канатом, на блестящей шлифованной поверхности мы увидим бугры и рытвины. Микроскоп, — а такой прибор из двух линз называется микроскопом, — значительно расширил кругозор человеческого глаза. Появление микроскопа открыло перед людьми громадный мир мельчайших живых существ. В этом мире живут почти все носители человеческих болезней, и только вооружившись микроскопом, можно было повести с ними жестокую борьбу.

Лучи от стрелки PQ, пройдя через линзу, дают действительное изображение, которое можно увидеть не через окуляр, а со стороны, если в том месте, где пересекаются лучи, поставить экран. Пропуская лучи через вторую линзу, приблизим глаз непосредственно к окуляру. Преломленные лучи кажутся глазу исходящими из P₁Q₁, хотя если там поместить экран, то со стороны на нем ничего не будет видно. Такое изображение называется мнимым.

Огромную роль сыграл микроскоп почти во всех отраслях науки. Вместе с развитием науки и техники создавались все более и более совершенные конструкции микроскопов. Современные микроскопы дают увеличение в несколько тысяч раз.

Все же существуют настолько маленькие предметы, что их нельзя увидеть через самый лучший микроскоп.

Причина этому лежит в самой природе света.

Свет — это электромагнитные волны, так же, как и радиоволны. Отличаются световые волны от радиоволн только длиной. Длина радиоволны колеблется от нескольких километров до нескольких сантиметров. Световые волны гораздо короче. Красный цвет имеет длину волны 0,8 микрона, фиолетовый — 0,4 микрона.

Только этот ничтожно малый отрезок длины волн — от 0,4 микрона до 0,8 микрона — различает наш глаз. А ведь есть значительно более короткие волны: ультрафиолетовые лучи имеют длину волны от десятых до сотых долей микрона, рентгеновские лучи имеют длину волны от сотых до десятитысячных долей микрона.

Распространяются световые волны так же, как волны на воде, волны звука и др. Отражение света от гладкой поверхности — аналогично эху или отражению морских волн от берега.

Все волны обладают одним и тем же свойством: если препятствие, которое стоит на их пути, велико по сравнению с длиной волны, волны отражаются по известным законам отражения; если препятствие мало по сравнению с длиной волны, то волны его обходят. Значит, предмет, размеры которого не превосходят нескольких десятых микрона, не может быть видим, так как световые волны обходят его, не отражаясь.

Если бы глаз видел рентгеновские лучи, можно было бы увидеть частицу, размером в одну стомиллионную долю сантиметра. На эти лучи реагирует фотопластинка, и, если бы можно было преломлять их, на пластинке получалось бы увеличенное изображение мельчайших частиц. Но вещества, хоть сколько-нибудь заметно преломляющего рентгеновские лучи, нет, а следовательно, не может быть создан рентген-микроскоп.

Попробуем получить изображение без помощи света.

Для этого поместим на небольшом расстоянии от обыкновенного пулемета мишень. Между мишенью и пулеметом поместим свинцовый треугольник, размеры которого меньше мишени, и обстреляем его беспорядочным потоком пуль. При достаточной толщине свинца пули не смогут его пробить, и на мишени очень скоро появится изображение треугольника, его «тень». Следовательно, нам удалось получить изображение без помощи света. Какое же свойство «пулевых лучей» дало возможность получить это изображение? Очевидно, то, что на небольших расстояниях «пулевые лучи» распространяются прямолинейно. Но получить при помощи пуль изображение очень маленького или проницаемого для них предмета нельзя.

Если перед экраном поставить свинцовый треугольник и обстрелять его беспорядочным потоком пуль, то на экране получится изображение треугольника, его "тень".

Попытаемся другим способом получить изображение без помощи света.

Известно, что всякое вещество состоит из очень маленьких частиц — атомов. Размеры атома равны примерно 1 ангстрему, т. е. одной десятимиллионной сантиметра. В 1 куб. см газа находится около 27000000000000000000 атомов, причем расстояния между ними в несколько десятков раз больше самих атомов.

В центре атома находится ядро, заряженное положительным электричеством, вокруг которого, как планеты вокруг солнца, вращаются электроны, заряженные отрицательным электричеством.

Масса электрона очень мала: в 1 г вещества электронов больше, чем граммов в земном шаре. Если бы можно было стрелять электронами, как пулями, то удалось бы получить изображение очень маленьких предметов.

Электроны обладают отрицательным зарядом. Нельзя ли использовать это их свойство для получения изображения?

Электрический ток — это движение электронов. По проводнику, подводящему ток к стосвечевой лампе, проходит каждую секунду 6500000000000000000 электронов. Это в три с половиной миллиарда раз больше, чем количество людей на земном шаре.

Можно заставить эти несметные армии электронов двигаться не в металле, а прямолинейно в безвоздушном пространстве, например в трубке Брауна. Трубка Брауна — это стеклянная колба, из которой выкачан воздух. В нее впаяны два электрода: отрицательный — катод и положительный — анод. Стенку, расположенную против катода, покрывают каким-либо веществом, светящимся под ударами электронов, например сернистым цинком.

Если подвести к электродам достаточно большое напряжение, то из катода начнут вылетать с большой скоростью электроны. При этом на сернистом цинке появится светлое пятно. Если в трубке Брауна на пути электронов поставить металлический крест, то на экране из сернистого цинка появится его отчетливое изображение — «тень». По виду этой тени можно заключить, что электроны распространяются прямолинейно.

Трубка Брауна. Па противоположной катоду стенке. видна тень от стоящего на пути электронов металлического предмета.

Электронные пучки, а следовательно, и тела, излучающие их, прочно вошли в современную технику. Рентгеновские трубки в технике и медицине, электронные лампы (радиолампы) в радиотехнике, электронные выпрямители переменного тока — во всех этих приборах есть катоды, испускающие потоки электронов. И от работы катодов, от их качества зависит вся работа электронных приборов.

Уже давно установлено, что не вся поверхность катода равномерно испускает электроны. Но что там происходит, какие части работают лучше, что надо сделать, чтобы повысить электронное излучение очень трудно установить, не имея возможности рассмотреть состояние катода в работе. А отдельные части катода слишком мелки, чтобы их можно было разглядеть человеческим глазом.

Здесь на помощь исследователи приходит электронная камера-обскура, конечно, более сложная, чем световая. При этом все части прибора должны находиться в вакууме, т. е. в пространстве, из которого выкачан воздух, иначе направление электронов будет меняться при столкновении с атомами воздуха.

Катод, испускающий электроны, представляет собой небольшую металлическую площадку. Ее подогревают до высокой температуры, потому что раскаленные тела излучают гораздо больше электронов, чем холодные. От катода электроны летят по направлению к аноду, в котором сделано отверстие. Двигаясь с большой скоростью, электроны пролетают по инерции сквозь это отверстие. Дальше на пути электронов стоит диафрагма, также имеющая маленькое отверстие, которое играет для электронов ту же роль, что и отверстие в световой камере-обскуре для световых лучей. При этом на светящемся под ударами электронов экране получается увеличенное изображение катода.

Часто вместо экрана из сернистого цинка ставят особо изготовленную фотографическую пластинку, чувствительную к электронному «свету». Электронные фотографии — электронограммы — раскрывают исследователю новые, неизвестные ему раньше свойства источников электронов.

Вверху — Электронограмма раскаленного катода. По ней ясно видно, что испускание электронов происходит неравномерно с разных участков поверхности катода.
Внизу — Электронограмма металлической сетки.

Однако предел увеличения изображения при помощи электронной камеры-обскуры по-прежнему дается величиной отверстия в диафрагме, и поэтому нельзя без электронных линз и микроскопа увидеть, что происходит на катоде с отдельными группами атомов.

Линзы для света удалось построить потому, что есть такие вещества (стекло, каменная соль и др.), которые пропускают световые лучи и одновременно преломляют их по определенным законам. Но как построить линзы для электронов, если неизвестно вещество, пропускающее электроны и в то же время, искривляющее их путь? Электроны не просто частицы с маленькой массой, — это частицы, заряженные электричеством. А если так, то их путь можно искривлять при помощи электрического поля.

Впаяем в трубку Брауна с двух сторон две металлические пластинки. Одну из них зарядим положительно, а другую — отрицательно. Так как электроны обладают отрицательным зарядом, то они будут отталкиваться от отрицательной пластинки и притягиваться к положительной. В результате этого весь пучок электронов изогнется, подобно струе воды, горизонтально выпущенной из брандспойта, а светлое пятнышко на экране сместится.

Схема отклонения пучка электронов, летящих в электрическом поле. Когда поля нет, электроны попадают в точку М, При наличии поля они попадают в М₁.

Путь электронов изгибается и в магнитном поле.

Поднесем к трубке Брауна магнит. Известно, что если поместить проводник, обтекаемый электрическим током, в магнитное поле, то он начнет перемещаться (на этом принципе построены все электромоторы). Пучок электронов, летящих от катода к аноду, аналогичен проводнику с током, поэтому он изгибается в магнитном поле.

Теперь задача почти решена. Остается только так подобрать электрическое и магнитное поле, чтобы пучок электронов изгибался подобно тому, как изгибается луч света в линзах, и построить электронный микроскоп.

Если к проволочным катушкам подвести напряжение, то по ним потечет электрический ток, создающий магнитное поле. Следовательно, заряженные пластинки и постоянный магнит в электронном микроскопе можно заменить обтекаемыми током катушками. Это очень удобно, так как, изменяя силу тока и форму катушек, можно регулировать величину магнитного поля, а следовательно, и нужным образом изгибать пучок электронов.

Ну, а если уж построены «электронные линзы», то сравнительно несложной задачей становится создание электронного микроскопа. Несколько лет назад его сконструировали Брюхе и Хаутерманс. На самом верху стеклянной трубки находится катод, излучающий электроны. Особое приспособление охлаждает его, предохраняя от чрезмерного перегрева.

Внешний вид электронного микроскопа.

Если при помощи электронного микроскопа хотят рассматривать не катод, а какой-нибудь другой предмет, то этот предмет помещают в той же трубке несколько ниже. Электронный пучок от катода проходит внутри катушки, «преломляющей» его, и попадает на экран. При этом изображение предмета получается увеличенным в двести раз. Если этого увеличения недостаточно, то пучок электронов пропускают через вторую катушку, увеличивающую еще в семьдесят раз. Изображение, которое после этого получается на экране или на фотографической пластинке, увеличено по сравнению с рассматриваемым предметом в четырнадцать тысяч раз!

Электронный микроскоп позволяет изучать мельчайшие процессы, происходящие на нагретых поверхностях, излучающих электроны. Он позволяет изучать малые отверстия, тонкие пленки, структуру различных поверхностей; пронизывая их или отражаясь от них, электронные пучки создают на экране точное, увеличенное в тысячи раз изображение.

Для того чтобы увидеть предмет, размеры которого меньше нескольких десятых микрона, недостаточно иметь оптический микроскоп, увеличивающий в какое угодно число раз. Причина этого, как уже говорилось вначале, в том, что свет обходит препятствия, размеры которых равны или меньше длины его волны.

Для электронного микроскопа этот предел не существенен: его можно сколько угодно повышать, увеличивая скорость электронов. Поэтому можно заметить изменение электронного излучения с площадки, на которой помещается всего несколько сотен атомов. В электронный микроскоп можно заметить изменения в движении электронов, вызываемые ничтожными бугорками на металлических сетках, бугорками, не видимыми в обыкновенный микроскоп.

До сих пор еще не удалось найти способ рассматривать мелкие неметаллические частицы при помощи электронного микроскопа.

Но электронные микроскопы существуют еще только пять-шесть лет. Надо полагать, что со временем конструкция их будет совершенствоваться.

Наука, вооруженная электронным микроскопом, принесет человечеству немало знаний о новых, до сих пор еще неизвестных мирах.