2014-04-04

Електронний мікроскоп

4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 голос)

Електронний мікроскоп

Який сенс має таке поєднання слів – «електронний мікроскоп»? Невже за допомогою електронів можна розглянути або фотографувати дрібні предмети в збільшеному вигляді? Ця спроба замінити світлові хвилі електронами цілком природно випливає з поглядів сучасної фізики на схожість між поширенням хвиль і потоком летючих частинок. Електронний мікроскоп, як ми вже знаємо, відкритий і давно функціонує, але мало хто конкретно уявляє принцип його дії.

Як були відкриті електрони

Електронний мікроскоп неможливо уявити без електронів. Тому розпочнемо з них. Уявлення про електрони як про окремі частинки, які можуть в порожнечі рухатися з великими швидкостями, було створено англійськими вченими В. Круксом і Дж. Дж. Томсоном у зв'язку з низкою дослідів з проходженням електрики через вкрай розріджені гази.

Крукс поміщав металеву пластинку всередині скляної трубки, з якої викачували газ, і заряджав її до великої напруги негативною електрикою. Якщо напруга була досить велика, з пластинки на всі боки перпендикулярно до її поверхні починали виходити якісь промені, невидимі оку, але вони змушували скло трубки світитися зеленим світлом. Виявити ці промені було дуже легко, ставлячи між пластинкою і склом якийсь предмет, так як на склі утворювалась тінь, форма якої ясно вказувала, що з пластинки прямими лініями виходять якісь промені, які змушують скло світитися.

Щоб дослідити природу цих променів, був придуманий цілий ряд надзвичайно кмітливих дослідів, і вдалося з повною переконливістю довести, що ці промені – це частинки електрики, що летять з величезною швидкістю. Їх назвали електронами.

Як можна керувати рухом електронів

Для того щоб спорудити електронний мікроскоп, необхідно навчитися керувати пучком електронів так, як променем світла.

Припустимо певний електрод (катод) заряджений негативно відносно пластинки (анод) настільки сильно, що з нього будуть вилітати електрони. Зазвичай катод нагрівають до високої температури, тоді напруга між катодом і анодом може бути значно меншою.

Електрони полетять від електроду до пластинки, і їх швидкість буде весь час зростати; якщо в аноді зроблено отвір, розігнані електрони, пролітаючи через отвір, будуть продовжувати летіти з досягнутою швидкістю за інерцією прямолінійним пучком.

Якщо вздовж пучка розташувати пластинку, покриту речовиною, що світиться від ударів електронів, то цей пучок робиться видимим у вигляді вузької світлої смужки, яка показує шлях електронів.

Поставивши зверху і знизу від цього пучка електронів дві металеві пластинки і зарядивши верхню пластинку негативно, а нижню позитивно, електрони, відштовхуючись від верхньої і притягаючись до нижньої, зігнуть свій шлях. Цей вигин буде цілком схожий на вигин струменя води під впливом сили тяжіння. Величина вигину буде залежати від величини напруги між пластинками і від швидкості електронів. Зрозуміло, чим швидкість буде більшою, тим вигин буде меншим і чим напруга буде більшою, тим більшим буде і вигин.

Надаючи пластинкам відповідної форми і змінюючи напругу та швидкість електронів, отримують можливість керувати рухом електронів. Треба тільки точно розрахувати, як ці пластинки будуть впливати на політ електронів. Це досить важке завдання, але з ним легко може впоратися хороший математик. Таке ж відхилення пучка можна зробити за допомогою магнітного поля.

Електронна лінза

Електронний мікроскоп, як і світловий повинен мати лінзу – електронну.

Припустимо з ряду отворів виходить кілька розбіжних пучків електронів, далі вони проходять через так звану електронну лінзу, що складається із заряджених пластинок. Крайні пластинки лінзи заряджені негативно, а середня пластинка – позитивно. Пучки електронів відхиляються лінзою і перетинаються абсолютно так само, як промені світла, що проходять через скляне оптичне скло.

На практиці виявляється набагато зручніше користуватися не зарядженими пластинками, а котушками, що створюють магнітне поле. Вплив магнітних сил на політ електрона дещо складніший, але, по суті, нічим не відрізняється від впливу електричних сил, і за допомогою магнітного поля відповідно підібраної котушки, якою проходить електричний струм, можна також побудувати електронну лінзу.

Електронний мікроскоп

Отримавши можливість побудувати електронну лінзу, неважко спорудити і складний електронний мікроскоп.

На знімку нагрітого катоду, покритого тонким шаром оксиду, видно, що тільки окремі частини катода випускають електрони. Розташування цих плям дозволяє вивчати структуру шару оксиду, що представляє дуже великий інтерес, тому що такі окисні катоди застосовуються для катодних радіоламп.

Звичайний світловий мікроскоп не може розділити двох точок або рисок, якщо відстань між ними менша ніж чверть довжини світлової хвилі. Світлові хвилі мають помітні розміри, і тому «роздільна здатність» світлового мікроскопа досягає не більше ніж 0,4 ? (мкм, 10-6 м), або 4000 ? (? - ангстрем = 10-8 см). Межа «роздільної здатності» електронного мікроскопа визначається довжиною хвилі того хвильового процесу, який, відповідно до поглядів сучасної фізики, оточує летючий електрон, - довжиною «хвиль матерії» Де-Бройля.

Довжина хвилі матерії залежить від швидкості летючого електрона і буде тим менша, чим більша швидкість електрона. Тому, збільшуючи швидкість електронів, можна зробити «роздільну здатність» електронного мікроскопа майже безмежною. Можна підрахувати, з теорії Де-Бройля, що при швидкості електронів 750 вольт «роздільна здатність» електронного мікроскопа вже досягає 22 ангстрем, а при легко досяжній швидкості 75 000 вольт вона робиться близько 2 ангстрем, тобто наближається до розмірів атома.

Електронний мікроскоп, вже став таким самим звичайним приладом, як і світловий мікроскоп.

Використані матеріали: elementy.ru.

 

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus