Текст книги "Электронный микроскоп"
Автор книги: Сергей Клементьев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)
СЕКРЕТ ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА
Почему же через оптический микроскоп нельзя увидеть частицы, меньшие 0,0002 миллиметра?
Казалось бы, что чем больше линз в микроскопе, тем все большие и большие увеличения рассматриваемых предметов можно от него получить.
Если несколько штук линз дают увеличение до 2000–3600 раз, то, может быть, можно поставить их вдвое больше? Тогда мы сможем увидеть предметы и меньшие по размерам чем 0,0002 миллиметра?
Но это не так. У оптического микроскопа оказался предел, «потолок» его возможностей, выше которого «прыгнуть» было нельзя.
Больше чем в 2000–3600 раз оптический микроскоп не может увеличивать изображения предметов. Тут не поможет никакая даже самая точная полировка увеличительных стекол. Не поможет ни удвоенное, ни утроенное количество линз. Можно громоздить одну линзу на другую, придумывать всяческие ухищрения, но есть граница, переступить которую оптический микроскоп не в силах. И дело тут совсем не в линзах.
В оптический микроскоп нельзя видеть предметы, размеры которых меньше 0,0002 миллиметра. И как ни странно, в этом виноват свет. Тот самый свет, который позволяет нам видеть окружающий нас мир! В чем же тут дело?
Почему свет ставит предел видимости оптического микроскопа? Почему же свет мешает видеть?
Сам этот вопрос как-то странно звучит. Все мы знаем, что видеть предметы нам мешает темнота, а вовсе не свет.
Это верно, конечно, если мы говорим о видимости больших предметов. Это верно и тогда, когда разговор идет о частицах размером более чем 0,0002 миллиметра.
Крупные предметы мы отлично видим невооруженным глазом, а мелкие – через лупу или в микроскоп.
Но частицы более мелкие чем 0,0002 миллиметра невидимы и в самый лучший оптический микроскоп.
Мы уже сказали, что в этом виноват свет. В чем же его вина? В чем же заключается эта странная загадка световых лучей?
Для того чтобы разгадать это на первый взгляд непонятное явление, надо разобраться в том, что такое световые лучи, что такое световые волны.
ВОЛНЫ-ГИГАНТЫ ВОЛНЫ-КАРЛИКИ
Бросьте небольшой камешек в зеркальную гладь тихого озера. От места падения камня кругами разойдутся волны. Расстояние между верхушками (гребнями) этих кругов называют длиной волны.
Волны бывают разной длины. Вот перед вами берег моря. Грозные валы серо-зеленой воды, пенясь и рыча, обрушиваются на берег. С шумом ударяются волны о камни, разбиваются и бурлят. Расстояние между гребнями этих бушующих волн два-три метра.
Во время бури морские волны еще длиннее. Расстояние между двумя соседними гребнями волн доходит до 200 метров. Высота их от гребня до впадины достигает высоты трехэтажного дома, и двигаются они со скоростью пассажирского поезда.
Водяные волны – это колебания частиц воды, звуковые – воздуха.
Кроме водяных и воздушных, в природе существует много других волн.
Включите радиоприемник. Вы услышите голос: «Внимание, внимание! Говорит Москва на волне 1744 метра».
О каких волнах говорит диктор? Очевидно, о радиоволнах.
Радиоволны мы не видим и не слышим, но они существуют так же реально, как волны в воде или в воздухе. Радиоволн очень много вокруг нас, но без радиоприемника мы их обнаружить не можем.
Тепловые волны нельзя видеть, нельзя слышать, но их можно ощущать.
Световые лучи – это тоже волны, но только очень– очень маленькие. Длина волн света меньше, чем длина радиоволн и тепловых лучей.
Длина волны красных лучей – около 0,0008 миллиметра, или, коротко говоря, 0,8 микрона (микрон – 0,001 миллиметра). Волны желтых, зеленых и синих лучей еще короче. Волны фиолетовых лучей самые короткие – длина их 0,4 микрона. Наш глаз еще воспринимает эти крохотные волны.
Но более короткие волны (ультрафиолетовые лучи) человеческий глаз не видит.
Так уж он устроен.
И все-таки эти невидимые глазом волны существуют. Они вызывают на теле человека красивый коричневый загар.
Еще более короткие волны, известные нам, – это рентгеновские лучи, затем гамма-лучи радия и космические.
В оптическом микроскопе используются видимые лучи света.
Видимые световые лучи (белый свет) – это смесь волн длиной от 0,8 до 0,4 микрона.
Какая же материя колеблется, создавая световые волны?
Световые волны особые. Это колебания электрических и магнитных сил. Поэтому и сами световые волны называются электромагнитными.
Они одной природы с радиоволнами, только гораздо короче их. Радиоволны измеряются километрами и метрами, а световые – десятитысячными долями миллиметра – долями микрона.
Световые волны – это «волны-карлики».
Когда мы пользуемся микроскопом, то посылаем пучок световых лучей (волн) на рассматриваемый предмет.
Световые волны отражаются от предмета и через несколько линз попадают в наш глаз. Глаза видят в увеличенном виде освещенный световыми волнами предмет.
Так обстоит дело, когда предмет, рассматриваемый в микроскоп, имеет размер не меньше 0,0002 миллиметра.
От предмета меньших размеров световые волны не отражаются. Они проходят мимо предмета, как бы не желая его замечать.
Это странное поведение световых волн объясняется тем, что длина их больше размеров предмета. Вместо того чтобы упасть на предмет и отразиться, световая волна, как говорят, огибает его[2]2
Световая волна, встретив на своем пути частицы, которые хотя бы вдвое меньше ее длины, образует вокруг них световые полосы и круги. Эти круги и полосы накладываются друг на друга, и в результате в оптический микроскоп вместо рассматриваемого предмета видно только расплывчатое пятнышко.
[Закрыть].
Впрочем, так же ведут себя и волны-гиганты. Представьте себе волнующееся море или озеро. По поверхности воды ровными валами бегут волны. Волны с силой бьют о берег и откатываются назад.
Но вот вы видите на пути волны большой подводный камень, возвышающийся над поверхностью воды.
Волны, не достигнув берега, ударяются об этот камень и отскакивают назад, отражаются от него.
Они будут всегда отражаться от камня, если его размеры больше расстояния между гребнями двух соседних волн.
Волны с шумом ударяются о камень, разбиваются и бурлят. А позади камня поверхность воды спокойна и невозмутима. Большой камень как бы отбрасывает позади себя тень.
А вот недалеко от большого камня лежит камешек поменьше. Размеры этого камешка небольшие. Они во много раз меньше длины волны.
Маленький камень не мешает распространению волн и не отбрасывает позади себя тени.
Волны, как бы не «заметив» маленького камешка, пройдут мимо него и выплеснутся на берег.
Они продолжают бежать, словно на их пути ничего нет.
Так же ведут себя и световые волны.
Световая волна отражается от всех предметов, размер которых больше, чем ее длина.
Маленькие же предметы, размер которых равен или меньше чем половина длины световой волны, отражения не дают. Как и волны воды, световые волны огибают предмет, проходя мимо него.
Значит, мы эти предметы и не увидим в обычный оптический микроскоп, как бы точно ни шлифовали линзы и ни увеличивали их число.
Никакая новая линза здесь не поможет.
Предмет защищен от взора человека непроницаемой защитой – своим размером.
Чтобы проникнуть в тайны невидимого мира и построить микроскоп, который мог бы «видеть» частицы размером меньше 0,0002 миллиметра, нужны какие-то другие волны.
Эти волны должны быть намного короче световых волн. Их длина должна быть гораздо меньше, чем размер частиц, которые мы хотим рассматривать. Например, чтобы рассмотреть молекулы или загадочные вирусы, нужны волны, в сотни раз более короткие, чем волны видимого света.
Где же взять такие крохотные волны?
Не помогут ли нам рентгеновские лучи? Длина их волн в сотни и тысячи раз короче длины волн видимого света. Хотя рентгеновские лучи и невидимы, но зато они отлично действуют на фотопластинки. С их помощью можно было бы сфотографировать предметы, в сотни и тысячи раз меньшие, чем при помощи видимого света.
Но оказывается, что с рентгеновскими лучами ничего не получится. Пока еще неизвестны материалы, из которых можно было бы сделать линзы для рентгеновских лучей. Длина их волн так мала, что они проходят любое вещество, не преломляясь.
Что же делать? Как будто бы нет никакого выхода. Как будто мы никогда не сможем увидеть мельчайшие частицы и познать тайны невидимого мира.
Но физики решили этот, казалось бы, неразрешимый вопрос. Они искусственно создали волны, в тысячи и сотни раз более короткие, чем волны света.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛНЫ
Все мы слышали слово «электрон». Электроны – это мельчайшие частицы материи. Меньших частиц материи мы пока не знаем.
Электроны замечательны еще и тем, что они несут с собой заряды отрицательного электричества.
Электроны распространяются по проводам и накаливают тоненькую проволочку в электрической лампочке. Они же нагревают спираль электроплитки. Электроны работают в усилительных лампах наших радиоприемников.
Электроны всюду. Они могут быть и неподвижными и двигаться с огромной скоростью в любых направлениях. Но что самое интересное, так это способность электронов распространяться волнами. Это очень важное свойство электронов.
Длина электронных волн зависит от скорости движения электронов. Чем больше скорость электронов, тем короче электронные волны. При очень большой скорости электронов длина их волн будет настолько коротка, что волны «отзовутся» на самое ничтожное препятствие, на самый мельчайший предмет, стоящий на их пути.
По сравнению с крохотными электронными волнами вирусы, эти пигмеи из царства невидимых живых существ, огромны. И если на пути электронной волны окажутся вирусы или любые другие частицы столь же ничтожных размеров, электроны не смогут миновать их, не изменив направления своего полета.
Длина волн электронов, разогнанных электрическим напряжением в 50 тысяч вольт, составляет не более 0,000000005 миллиметра. Это в 20 раз меньше, чем размер атома!
Электронные волны дают возможность рассматривать предметы, в сто раз меньшие чем те, которые удается разглядеть в обычные микроскопы.
В микроскопах с электронными волнами, или, как их называют, электронных микроскопах, можно добиться увеличений в сотни тысяч раз.
Невооруженным глазом с трудом можно различить две точки, расстояние между которыми менее 0,1 миллиметра.
Обычные оптические микроскопы дают возможность различить две точки, расстояние между которыми составляет 0,0002 миллиметра.
С помощью же электронного микроскопа можно исследовать предметы, крайние точки которых расположены друг от друга всего на 0,000001 миллиметра. Так велика «разрешающая сила» электронного микроскопа.
Теоретически подсчитано, что посредством электронного микроскопа можно добиться еще больших увеличений.
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Но как же использовать электронные волны в микроскопах? Ведь эти ничтожные по размерам волны сами по себе невидимы! Человеческий глаз не видит ни электронов, ни их волн. Но он может видеть действие электронных волн на фотопластинку или на особые вещества, которые светятся, когда на них падает поток электронов.
Можно создать искусственные глаза, которые «видят» электронные лучи так же хорошо, как человеческие глаза видят лучи света.
Искусственный глаз устроен несложно. Это пластинка, покрытая сернистым цинком или виллемитом – веществами, светящимися под действием ударяющихся о них электронов.
Микроскоп, в котором использованы электронные волны, называют электронным.
ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
В обычном, оптическом микроскопе для освещения рассматриваемых предметов пользуются специальным осветителем с электрической лампочкой.
В электронном микроскопе для той же цели служит электронная пушка. Эта пушка «стреляет» электронами.
Как же устроена эта оригинальная пушка?
Весь ее «боекомплект» состоит из коротенького кусочка вольфрамовой проволоки, раскаляемой электрическим током.
Как и всякое нагретое до высокой температуры тело проволока излучает электроны, которые притягиваются металлической пластинкой (анодом), заряженной положительно.
Анод радиолампы состоит из сплошной пластинки, а анод электронной пушки в центре имеет маленькую дырочку, через которую вылетают электроны. В обычных радиолампах наших широковещательных приемников напряжение между накаливаемой нитью лампы и анодом редко превышает 300 вольт. В электронной же пушке современного советского микроскопа напряжение не ниже 30–50 тысяч вольт. Чем выше напряжение между вольфрамовой проволочкой и анодной пластинкой, тем больше скорость электронов.
С громадной скоростью электроны, выстреливаемые из пушки, проскакивают через отверстие в анодной пластинке и по инерции летят вниз. Там, внизу, электроны попадают в линзы. Это не обычные линзы. Они совсем не похожи на стеклянные увеличительные стекла.
Линзы в электронном микроскопе представляют собой… пустоту.
И эти пустотные линзы отлично преломляют электронные волны, сводят их в пучки, подобно тому как увеличительное стекло собирает лучи света в одну точку.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЛИНЗЫ
Что же это за странные линзы, сделанные из «ничего»?
Дело в том, что между световыми и электронными волнами есть большая разница. Электроны обладают электрическим зарядом. Движущиеся электроны – это электрический ток. На всякий электрический ток действует магнит. Световые волны заряда с собой не несут, и поэтому магнит на них не действует. Когда луч света проходит через стеклянную линзу, то он меняет свое направление, преломляясь под воздействием атомов стекла.
Летящие же электроны могут отклониться от первоначального пути, попав либо в электрическое, либо в магнитное поле.
В советском электронном микроскопе пользуются магнитным полем. Поэтому пустые линзы электронного микроскопа представляют собой катушки из проволоки, создающие магнитное поле. Эти катушки устроены почти так же, как обычные катушки для ниток. Но вместо ниток на гильзы катушек намотана медная изолированная проволока.
Когда по виткам катушки проходит электрический ток, то создается магнитное поле. Это магнитное поле и воздействует на поток быстро летящих электронов внутри катушки. Магнитное поле, создаваемое катушкой, собирает электроны в узкие пучки, подобно тому как стеклянная линза собирает лучи света в одну точку.
Первая линза – конденсорная – собирает, или, как говорят, конденсирует, электроны, выстреливаемые из электронной пушки, в узкий пучок и, подобно лучу прожектора, нацеливает их на изучаемый предмет.
Но можно ли, например, назвать предметом немыслимо крошечные точки вирусов или молекулы какого– нибудь металла? Как их укрепить внутри микроскопа?
Они наносятся на тончайшую пленку из коллодия или другого лака. Электроны проходят через пленку насквозь, пробивают ее, как пули, навылет. Но часть электронов натыкается при своем полете на мельчайшие тельца вирусов или молекул и рассеивается по сторонам.
Длина электронной волны очень мала. Она намного меньше тех крошечных частиц, которые исследуются под микроскопом. Поэтому электронная волна отражается от этих частиц и рассеивается в стороны. Электронная волна не огибает этих крошечных частиц. Она «замечает» столь безмерно малые предметы. Пройдя изучаемое вещество, электроны попадают во вторую магнитную линзу. Эта линза называется объективной. Она дает первое изображение, как бы начальную зарисовку сильно увеличенного предмета.
Третья магнитная линза – проекционная – увеличивает изображение еще больше. Проекционная линза отбрасывает электроны на фотопластинку или на экран, покрытый веществом, светящимся под их ударами.
Электроны, ударяющиеся об экран, вызывают на нем маленькие зеленоватые вспышки света.
Но не все электроны попадают на экран. Некоторые электроны, вылетевшие из электронной пушки и попавшие в первую магнитную линзу, рассеиваются, встретив на своем пути изучаемый предмет.
Эти электроны на экран (или на фотопластинку вместо экрана) уже не попадают. В результате экран светится неравномерно. В тех местах экрана, в которые ударились электроны, будут вспышки света, а куда электроны не попали – тень.
Но в различных участках изучаемого предмета электроны рассеиваются по-разному. Там, где предмет толще или плотность его выше, электронов рассеется гораздо больше.
Меньше всего рассеивает электронов тончайшая пленочка, на которую наносится изучаемый предмет или вещество. Пленка пропускает электронов больше всего. Электроны «простреливают» ее навылет.
Те точки экрана, куда попадает большее число электронов, светятся сильнее. Те точки, в которые электронов попадает мало, светятся гораздо слабее. Точки экрана, в которые вовсе не попадает ни одного электрона, остаются совершенно темными.
Так в игре Света различной яркости и тени возникает перед нашими глазами изображение предмета, увеличенное в десятки и сотни тысяч раз.
Чтобы изображение предмета на экране получилось правильным, а не искаженным, электроны, прошедшие изучаемый предмет, больше уже не должны нигде рассеиваться. Ничто не должно мешать их свободному полету от предмета к экрану. А ведь лететь им предстоит еще далеко. До экрана почти метр пути. Мало ли что может случиться с электроном!
Электрон, пройдя изучаемый предмет, может натолкнуться на молекулу воздуха. В результате такого столкновения пострадают и молекула и электрон. Судьба молекулы воздуха нас сейчас мало интересует. Гораздо важнее, что произойдет от такого удара с электроном.
Электрон при ударе о молекулу воздуха отскочит в сторону и на экран не попадет. Поэтому изображение предмета будет искаженным.
Чтобы этого не произошло, с пути электронов удаляют воздух насколько это возможно. Во время работы электронного микроскопа вакуумный насос все время выкачивает воздух из прибора. Там остается совсем немного молекул воздуха.
Вероятность столкновения электронов с этими молекулами ничтожна.
Давление еще остающегося в приборе воздуха в сто миллионов раз меньше, чем нормальное давление атмосферы. При таком разрежении электроны свободно летят до экрана, почти не сталкиваясь с молекулами воздуха на всем своем длинном пути.
Схема действия микроскопов: слева – электронного, справа – оптического.
Мы сказали, что этот путь длиной около метра. Разве это так много?
Понятие о большом и малом очень условно. Нам, людям, путь в один метр кажется маленьким. Для электронов же это огромная величина.
Ведь размер электрона так немыслимо мал! Если представить электрон в виде шарика (его истинная форма до сих пор неизвестна), то диаметр этого шарика будет всего лишь несколько биллионных долей миллиметра.
Если электроны вытянуть в цепочку, то в одном миллиметре их уложится несколько сотен миллиардов штук. Вот насколько мал электрон!
Поэтому путь длиной в один метр для электрона колоссально велик. Это все равно, что футбольному мячу пришлось бы лететь расстояние в десятки миллиардов километров.
Быстро пролетать огромный для электронов путь помогают им их гигантские скорости.
Скорость электронов зависит от того, какое напряжение приложено к нити и анодной пластинке электронного микроскопа. Чем больше это напряжение, тем выше скорость электронов, тем большее увеличение дает электронный микроскоп.
Создание первого образца электронного микроскопа потребовало нескольких лет напряженного труда советских ученых.
Наши электронные микроскопы работают с огромной точностью, давая высокое качество изображения.
КАК СОЗДАВАЛСЯ СОВЕТСКИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Работа над созданием советского электронного микроскопа была начата в 1940 году в Ленинградском государственном оптическом институте.
Академик А. А. Лебедев и его сотрудники взялись за решение этой сложной технической задачи. Много труда и энергии вложили они в эту работу. В конце 1940 года был построен первый макет электронного микроскопа, увеличивающий рассматриваемые предметы в 10 тысяч раз.
При этом увеличении были получены первые фотоснимки с пыльцы бабочки капустницы. Это насекомое уничтожает капусту и приносит большие убытки овощеводческим хозяйствам.
Первым советским электронным микроскопом удалось заснять пыльцу этого зловредного насекомого.
Пыльца бабочки капустницы. Увеличение – 3500.
Советский электронный микроскоп еще в младенческом возрасте, только что родившись, бросился в бой с вредителями сельского хозяйства и как трофей своей победы преподнес его создателям первую фотографию пыльцы бабочки капустницы.
Но это было только началом трудных и тяжелых работ советских ученых по электронной микроскопии.
Окрыленные первыми успехами, наши ученые взялись за создание другой, еще более совершенной модели электронного микроскопа, которая должна была давать увеличение в 25 тысяч раз. Эта модель дала бы возможность рассмотреть мельчайшие предметы размером в 0,000001 сантиметра.
Работы по постройке этой новой модели электронного микроскопа уже были близки к окончательному завершению, но началась Великая Отечественная война.
Немецко-фашистские захватчики стянули огненным кольцом великий город Ленина. Научная лаборатория академика Лебедева была вынуждена эвакуироваться на восток.
Напряженная работа большой научной важности по созданию советского электронного микроскопа продолжалась в городе Йошкар-Ола.
Внешний вид советского электронного микроскопа.
До Великой Октябрьской социалистической революции город Йошкар-Ола назывался Царевококшайском. Это была убогая, отсталая провинция. Грязь, нищета, невежество – вот чем «славился» этот город до революции.
За годы советской власти этот город преобразился, и именно в нем, в этой бывшей царской провинции, где раньше почти все население было безграмотным, создан первый отечественный электронный микроскоп.
Это была огромная победа советских ученых, воспитанных партией Ленина-Сталина. В советском электронном микроскопе воплотилась наиболее современная и передовая научная мысль.
К концу 1946 года Государственный оптический институт изготовил уже четвертую по счету модель электронного микроскопа.
В эти электронные микроскопы можно рассматривать частицы размером менее чем в половину миллионной доли сантиметра.
С трудом можно себе представить, насколько малы эти частицы. Но год спустя советская промышленность изготовила микроскопы еще более зоркие.
