Дифракция электронов. Электронный микроскоп
ристическое рентгеновское излучение, свойства которого существенно
определяются строением электронных оболочек в атомах вещества. Это
излучение обязано своим возникновением энергетическим переходом между
глубокими энергетическими уровнями атомов.
Возникающее характеристическое излучение регистрируется с помощью
рентгеноспектральной аппаратуры. Диаметр электронного зонда может
изменяться от 360 до 0,5 мкм, а размер просматриваемой площадки
представляет собой квадрат со стороной 360, 180, 90 или 45 мкм. В одном из
приборов такого типа скорость анализа по одному химическому элементу
соответствует движению зонда 8 или 96 мкм/мин (при механическом перемещении
объекта). Анализировать можно все элементы периодической системы элементов
Менделеева, легких (от атомного номера 11 - натрия).минимальный объем
вещества, поддающегося количественному анализу, составляет 0,1 мкг. С
помощью микрорентгеновского анализатора получают распределение физико-
химического состава вдоль исследуемой поверхности.
В СССР серийно выпускается (выпускался) микрорентгеновский анализатор
типа МАР-1 (диаметр зонда около 1 мкм, наименьшая анализируемая площадь
1мкм(2). Приборы такого вида находят применение в электронной
промышленности и в других областях науки и техники.
Читатель, видимо, обратил внимание на тот факт, что в электронных
микроскопах не достигается разрешающая способность, предсказываемая
теорией. В чем же дело? Вспомним, что в формировании изображения в
электронных микроскопах важную роль играют элементы электронной оптики,
позволяющие осуществлять управление электронными пучками. Этим элементам —
электронным линзам свойственны различного рода отклонения от идеального
(требуемого расчетом) распределения электрических и магнитных полей.
Положение здесь во многом аналогично ограничениям в оптической микроскопии,
связанным с неточностью изготовления оптических линз, зеркал и других
элементов. Кроме того, ряд трудностей связан с особенностями изготовления и
работы источников электронных потоков (катодов), а также с проблемой
создания потоков, в которых электроны мало отличаются по скоростям. В
соответствии с этими фактами, действующими в реальных условиях, различают
определённые виды искажений в электронных микроскопах, используя при этом
терминологию, заимствованную из световой оптики.
Основными видами искажений электронных линз в просвечивающих
микроскопах являются сферическая и хроматическая аберрации, а также
дифракция и приосевой астигматизм. Не останавливаясь на происхождении
различных видов искажений, связанных с нарушениями симметрии полей и
взаимным расположением элементов электронной оптики, упомянем лишь о
хроматической аберрации. Последний вид искажений аналогичен возникновению
окрашенных изображений в простых биноклях и лупах. Использование
спектрально чистого монохроматического света в оптике (вместо белого)
устраняет этот вид искажений. Аналогично этому в электронной микроскопии
используют по возможности пучки электронов, скорости которых отличаются
мало (вспомним соотношение (=h/(m(v) для электрона!). Этого достигают
применением высокостабильных источников электрического питания.
Близким «родственником» электронного микроскопа является
электронограф ( прибор, использующий явление дифракции электронов, той
самой дифракции, которая в своё время подтвердила наличие волновых свойств
у электронов и ставит в наши дни предел разрешения в электронном
микроскопе. В случае электронов объектами, в которых может происходить
дифракция на периодической структуре (аналогичной объёмной дифракционной
решётке в оптике), служат кристаллические структуры. Известно, что в
кристаллах атомы расположены в строгом геометрическом порядке на
расстояниях порядка единиц ангстрем. Особенно правильно это расположение в
так называемых монокристаллах. При взаимодействии электронов с такими
структурами возникает рассеяние электронов в преимущественных направлениях
в соответствии с предсказываемыми теорией соотношениями. Регистрируя
рассеянные электроны (например, фотографируя их), можно получать информацию
об атомной структуре вещества. В современных условиях электронография
широко применяется при исследованиях не только твёрдых, но и жидких,
газообразных тел. О виде получаемых электронограмм можно судить по
фотографиям (см. рис.6).
Рис. 6. Электорнограмма высокого разрешения (окись цинка):
вверху ( электронограмма; внизу ( увеличенное изображение участка А.
В нашей стране и за рубежом применяются специализированные
электронографы промышленного типа. Кроме того, в некоторых электронных
микроскопах предусмотрена возможность работы в режиме электронографии.
Следует заметить, что с точки зрения физики получение электронограмм
представляет собой процесс, во многом близкий процессу получению
рентгенограмм в рентгеноструктурном анализе. Действительно, если в
электрографии используется дифракция электронов, то в рентгеноструктурном
анализе происходит дифракция рентгеновских лучей на атомных структурах.
Естественно, что каждый из этих методов имеет свою область применения.
Особенности работы с электронным микроскопом.
Остановимся кратко на основных приемах работы в электронной
микроскопии. Естественно, что эти приемы своеобразны, учитывая сверхмалые
размеры объектов, подлежащих исследованию. Так, например, в биологических
исследованиях находят применения «сверхтонкие ножи» - микротомы,
позволяющие получать срезы биологических объектов толщиной менее 1 мкм.
Главные особенности методики электронной микроскопии определяются
необходимостью помещения объекта исследования внутрь колонны электронного
микроскопа, т.е. в вакуум и обеспечения условий высокой чистоты, так как
малейшие загрязнения могут существенно исказить результаты. Для
просвечивающего электронного микроскопа объект приготовляется в виде тонких
пленок, в качестве которых могут служить различного рода лаки, пленки
металлов и полупроводников, ультратонкие срезы биологических препаратов.
Кроме того, объектами исследования могут быть тонко измельченные
(диспергированные) совокупности частиц. Обычно в просвечивающих
микроскопах, работающих при напряжениях 50-100 кв, толщина объектов не
может превышать 200 А((для неорганических веществ) и 1000 А( (для
органических). Биологические объекты в большинстве случаев приходится
контрастировать, т.е. «окрашивать» (солями тяжелых металлов), оттенять
напылением металлов (платиной, палладием и др.) и использовать ряд других
приемов. Необходимость контрастирования вызвана тем, что большинство
биологических объектов содержит атомы легких элементов (с малым атомным
номером) - водород, углерод, азот, кислород, фосфор и т.д. в то же время
толщина объектов, интересных для биологии и медицины, составляет величину
порядка 50 А(. Без контрастирования при электронно-микроскопических
исследованиях вирусов наблюдаются бесструктурные пятна, а отдельные
молекулы нуклеиновых кислот вообще неразличимы. Использование методов
контрастирования позволяет эффективно применить электронную микроскопию в
биологических исследованиях и в том числе при исследованиях больших молекул
(макромолекул) ( см., например, рис. 7.
Рис. 7. РНК из вируса табачной мозаики (из раствора с ионной силой
0,0003 мкм).
В ряде случаев при исследовании, например, массивных объектов в
технике широкое применение находит метод получения отпечатков, который
заключается в изготовлении и последующем исследовании в микроскопе копий
поверхностей объектов.
Используются как естественные отпечатки (тонкие слои окислов), так и
искусственные, получаемые путем нанесения (напыления, осаждения) пленок
кварца, углерода и других веществ. Наибольшее разрешение ( (10 А()
позволяют получить угольные реплики, которые находят широкое применение как
в технике, так и в биологии.
При наблюдении электронно-микроскопическими методами влажных объектов
( в том числе живых клеток) используются вакуумно-изолированные газовые
микрокамеры. Объекты исследования помещаются в электронных микроскопах на
тончайшие пленки - подложки, которые крепятся на специальных сетках,
изготовляемых обычно из меди электролитическим способом. Эти пленки должны
удовлетворять целому ряду требований, поскольку относительно большая
толщина их, а также сильное рассеяние ими электронов приводят к резкому
ухудшению качества изображения объекта. Кроме того, материал таких пленок
должен обладать хорошей теплопроводностью и высокой стойкостью к
электронной бомбардировке.
Кстати, об электронной бомбардировке объекта исследования и ее
последствиях. При попадании электронов на объект они выделяют энергию,
примерно равную кинетической энергии их движения. В результате могут
происходить местный разогрев и разрушение участков объекта.
Электронный микроскоп часто используется для микрохимического анализа
исследуемого вещества согласно методу, предложенному М. И. Земляновой и Ю.
М. Кушниром. По существу этот метод аналогичен методу микрохимического
анализа с помощью оптического микроскопа. В данном случае электронный
микроскоп используется в качестве устройства, способного обнаружить малые
количества ис
| |  скачать работу |
Дифракция электронов. Электронный микроскоп |
