Дифракция электронов. Электронный микроскоп

«Путь микроскопии. Электронный микроскоп».

Содержание:

1.Путь микроскопии. 2

2.Лимит микроскопии. 4

3.Невидимые излучения. 6

3.1.Ультрафиолетовые излучения. 6

3.2.Физические основы позволяющие получать изображение в микроскопе. 6

4.Электроны и электронная оптика. 8

4.1.Что такое электрон?. 8

4.2.Свойства электрона. 8

5.Электроны и волны. Их взаимодействие. 10

6.Устройство электронного микроскопа. 11

7.Объекты исследования электронной микроскопии. 14

8.Виды электронных микроскопов. 16

8.1.Эмиссионный электронный микроскоп. 16

8.3.Растровый электронный микроскоп. 16

8.4.Зеркальный электронный микроскоп. 17

8.5.Теневой электронный микроскоп. 17

8.6.Электронограф. 18

9.Особенности работы с электронным микроскопом. 20

10.Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии. 22

Заключение. 24

Литература. 25

1. Путь микроскопии

На пороге XVII столетия был создан первый микроскоп, и вряд ликто-либо (и даже его изобретатель) мог представить будущие успехи и многочисленныеобласти применения микроскопии. Оглядываясь назад, мы видим, что этоизобретение представляло собой нечто большее, чем создание нового устройства: впервые человек получил возможность увидеть ранее невидимое.

Изобретение телескопа, позволившее увидеть невидимое в мирепланет и звезд, было открыто примерно к этому же времени. Изобретениемикроскопа и телескопа представляло собой революцию не только в способахизучения природы, но и в самом методе исследования.

Действительно, натурфилософы древности наблюдали природу, узнавая о ней только то, что видел глаз, чувствовала кожа, слышало ухо. Можнолишь удивляться тому, как много правильных сведений об окружающем мире получилиони, пользуясь «невооруженными» органами чувств и не ставя специальных экспериментов, как это делают сейчас. Вместе с тем наряду с точными фактами и гениальнымидогадками как много ложных «наблюдений», утверждений и выводов оставили нам ученыедревности и средних веков. Лишь значительно позднее был найден метод изученияприроды, заключающийся в постановке сознательно планируемых экспериментов, целью которых является проверка предположений и четко сформулированных гипотез. Особенности этого метода исследования Фрэнсис Бэкон — один из его создателей -выразил в следующих, ставших знаменитыми, словах:

«Ставить эксперимент — это учинять допрос природе»

Изобретение микроскопа и телескопа представляло собойколоссальное расширение возможностей наблюдения и эксперимента.

После первых наблюдений, проведённых с помощью самойпростой и несовершенной по современным представлениям техники, открылся «целыймир в капле воды». Оказалось, что знакомые предметы выглядят совсем по-иному, если их рассматривать в микроскоп: гладкие на взгляд и ощупь поверхностиоказываются в действительности шероховатыми, в «чистой» воде движутся мириадымельчайших организмов. Точно так же первые астрономические наблюдения с помощьютелескопов дали возможность человеку по-новому увидеть привычный мир планет извёзд: например, поверхность Луны, воспетой поэтами всех поколений, оказаласьгористой и испещрённой многочисленными кратерами, а у Венеры была обнаруженасмена фаз, как и у Луны.

В дальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизньсамостоятельным областям науки ¾микроскопии и наблюдательной астрономии. Пройдут годы, и каждая из этихобластей разовьется в многочисленные разветвления, выражающиеся в целом рядесамых различных применений в биологии, медицине, технике, химии, физике, навигации.

Современные микроскопы, которые в отличие от электронных мыбудем называть оптическими, представляют собой совершенные приборы, позволяющиеполучать большие увеличения с высокой разрешающей способностью. Разрешающаяспособность определяется расстоянием, на котором два соседних элементаструктуры могут быть ещё видимы раздельно. Однако, как показали исследования, оптическая микроскопия практически достигла принципиального предела своихвозможностей из-за дифракции и интерференции ¾явлений, обусловленных волновой природой света.

Степень монохроматичности и когерентности является важнойхарактеристикой волн любой природы (электромагнитных, звуковых и др.).Монохроматические колебания ¾это колебания, состоящие из синусоидальных волн одной определённой частоты. Когда мы представляем колебания в виде простой синусоиды соответственно спостоянными амплитудой, частотой и фазой, то это является определённойидеализацией, так как, строго говоря, в природе не существует колебаний и волн, абсолютно точно описываемых синусоидой. Однако, как показали исследования, реальные колебания и волны могут с большей или меньшей степенью точностиприближаться к идеальной синусоиде (обладать большей или меньшей степеньюмонохроматичности). Колебания и волны сложной формы можно представить в виденабора синусоидальных колебаний и волн. По сути дела, эту математическуюоперацию осуществляет призма, разлагающая в цветной спектр солнечный свет.

Монохроматические волны, в том числе и световые, одной и той жечастоты (при определённых условиях!) могут взаимодействовать между собой такимобразом, что в результате «свет превратится в темноту» или, как говорят, волнымогут интерферировать. При интерференции происходят местные «усиления иподавления» волн друг другом. Для того чтобы картина интерференции волноставалась неизменной с течением времени (например, при рассматривании еёглазом или фотографировании), необходимо, чтобы волны были между собойкогерентны (две волны когерентны между собой, если они дают устойчивую картинуинтерференции, чему соответствуют равенства их частот и неизменный сдвиг фаз).

Например, если на пути распространения волн поместитьпрепятствия, то они будут существенно влиять на направление распространенияэтих волн. Такими препятствиями могут быть края отверстий в экранах, непрозрачные предметы, а также любые другие виды неоднородностей на путираспространения волн. В частности, неоднородностями могут быть также ипрозрачные (для данного излучения) предметы, но отличающиеся по коэффициентупреломления, а значит, и по скорости прохождения волн внутри них. Явлениеизменения направления распространения волн при прохождении их вблизипрепятствий называют дифракцией. Обычно дифракция сопровождаетсяинтерференционными явлениями.

2. Лимит микроскопии

Изображение, получаемое при помощи любой оптической системы, есть результат интерференции различных частей световой волны, прошедшей черезэту систему. В частности, известно, что ограничение световой волны входнымзрачком системы (краями линз, зеркал и диафрагм, составляющих оптическуюсистему) и связанное с ним явление дифракции приводит к тому, что светящаясяточка будет изображена в виде дифракционного кружка. Это обстоятельствоограничивает возможность различать мелкие детали изображения, формируемогооптической системой. Изображение, например, бесконечно удалённого источникасвета (звезды) в результате дифракции на круглом зрачке (оправе зрительнойтрубы), представляет собой довольно сложную картину (см. рис. 1). На этойкартине можно увидеть набор концентрических светлых и тёмных колец. Распределение освещённостей, которое можно зафиксировать, если двигаться отцентра картины к её краям, описывается довольно сложными формулами, которыеприводятся в курсах оптики. Однако закономерности, свойственные положениюпервого (от центра картины) тёмного кольца, выглядят просто. Обозначим через Dдиаметр входного зрачка оптической системы и через l длину волны света, посылаемогобесконечно удалённым источником.

Рис. 1. Дифракционное изображение светящейся точки (такназываемый диск Эйри).

Если обозначить через j угол, под которым виден радиус первоготёмного кольца, то как доказывается в оптике

sin j" 1,22* (l /D).

В результате ограничения волнового фронта краями оптическойсистемы (входным зрачком) вместо изображения светящейся точки, соответствующейбесконечно удаленному объекту, мы получаем набор дифракционных колец. Естественно, что это явление ограничивает возможность различения двух близкорасположенных точечных источников света. Действительно, в случае двух удаленныхисточников, например двух звезд, расположенных очень близко друг к другу нанебесном своде, в плоскости наблюдения образуются две системы концентрическихколец. При определенных условиях они могут перекрываться, и различениеисточников становится невозможным.