Текст книги "Электронный микроскоп"
Автор книги: Сергей Клементьев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)
СМЕРТОНОСНЫЕ ИГОЛКИ
На некоторых специальных производствах рабочие заболевали от неизвестных, совершенно непонятных причин. Чистое, светлое помещение, усиленное питание, часовой отдых в течение рабочего дня – кажется, чего еще желать лучшего? Откуда взяться болезни? И все-таки нет– нет, да и заболеет то один, то другой рабочий.
И болезнь какая-то странная, не такая, как все другие заболевания. Человек бледнеет, худеет, кашляет кровью. Рентген и другие анализы ничего не показывают. Туберкулеза нет и в помине. В чем же тут дело?
Оказалось, что эта странная болезнь вызывается не каким-нибудь зловредным микробом, а небольшим количеством дыма, мельчайшей пылью металлических окислов или минеральными примесями, которые не видны даже в самые сильные оптические микроскопы.
Только в электронном микроскопе удалось увидеть эти вещества и попять, почему они вредно влияют на здоровье рабочих.
Дым этот – неуловимый, почти невесомый продукт сгорания, который можно развеять одним дыханием – в поле зрения электронного микроскопа выглядит очень красиво.
Частица дыма окиси магния. Увеличение – 11 000.
Частица дыма окиси цинка. Увеличение – 20 000.
На экране возникают фантастические картины – какие-то дикие заросли, сплетения частиц.
Путешествуя по частицам дыма, мы каждую минуту видим что-нибудь загадочное и интересное. Открываются всё новые и новые картины, одна другой красивее.
И оказалось, что этот красивый дым несет с собой гибель вдыхающим его людям.
Дым окиси магния, как это показал электронный микроскоп, состоит из мельчайших кубических кристалликов, а дым окиси цинка – из игольчатых.
Толщина иголочек дыма окиси цинка необычайно мала. В поле зрения электронного микроскопа попадаются иголочки толщиной всего лишь в 0,000002 миллиметра. Рабочие вдыхают дым, состоящий из таких иголочек. Острые иголочки, по-видимому, ранят нежную ткань легких, попадают в капилляры, в кровеносные сосуды. И вот в результате этого человек заболевает. Только электронный микроскоп позволил проникнуть в тайну этого тяжелого профессионального заболевания.
Узнав причину болезни, люди научились бороться с нею. Из помещений, где находятся рабочие, особыми вытяжными устройствами дочиста удаляют невидимые в обычный микроскоп иголочки дыма окиси цинка и другие ничтожные по своим размерам, но крайне вредные для здоровья вещества.
ТАЙНА КАТАЛИЗАТОРОВ
В химии часто применяются особые вещества, влияющие на скорость химических реакций. Эти вещества называются катализаторами.
При различных химических реакциях катализаторы приносят большую пользу.
Сами по себе катализаторы не соединяются ни с одним из химических веществ, участвующих в реакции и остаются неизмененными.
Одним из таких интересных катализаторов является губчатая платина.
Если маленький кусочек губчатой платины поместить в смесь паров древесного спирта с воздухом, то спирт вспыхивает, как будто его подожгли спичкой.
Губчатая платина как катализатор часто применяется также в производстве серной кислоты.
Смесь двух газов – кислорода и водорода – при комнатной температуре устойчива. Эти вещества не вступают в химическую реакцию друг с другом. Но если в эту смесь газов ввести миниатюрный кусочек платиновой черни (катализатор), то произойдет бурная химическая реакция соединения кислорода с водородом. Реакция сопровождается сильным взрывом. Кусочек платиновой черни при этом ничуть не изменяется. Он остается таким же, как и был до взрыва.
Поверхность катализатора.
Попробуйте зажечь кусочек сахара спичкой. Сахар обуглится, оплавится, но гореть не будет. Ему не хватает катализатора. Но стоит вам посыпать этот же кусочек сахара катализатором – табачным пеплом, как сахар запылает ярким голубоватым пламенем.
Катализаторы очень распространены в технике и в живой природе. Многие жизненные процессы в организмах человека, животных и растений зависят от действия катализаторов. Катализаторы – очень интересные, но и крайне загадочные вещества.
Что же это за вещества? Почему катализаторы ускоряют ход химических реакций? Какие процессы происходят при взаимодействии катализаторов с химическими веществами?
Долгие годы химики мечтали о том, чтобы познать тайну катализаторов. Они хотели разглядеть их во всех подробностях.
Ученые догадывались, что на поверхности катализаторов находятся какие-то кристаллики, которые и ускоряют ход химических реакций. Но как рассмотреть эти ничтожные по своим размерам кристаллы, как изучить строение поверхности катализаторов? Сколько ни бились химики, пытаясь разглядывать эти странные вещества в обычные, оптические микроскопы, они не могли увидеть подробностей их строения.
Ведь размеры этих кристалликов меньше, чем длина световых волн.
В оптические микроскопы при самом сильном увеличении были видны только какие-то серые, мутные, расплывающиеся пятна.
Казалось, что никогда не удастся увидеть строение поверхности катализаторов.
Но электронный микроскоп разрешил и эту казавшуюся ранее совершенно неразрешимой задачу.
Советским ученым удалось в электронный микроскоп увидеть кристаллики на поверхности катализаторов. Они не только увидели эти кристаллики, но и проследили за тем, как они образуются и растут.
Устанавливая законы роста, взаимного расположения кристаллов, изучая, как влияет на них различная температура и давление, как сказывается на них присутствие других химических веществ, можно сознательно, а не ощупью, как раньше, создавать все новые и новые виды катализаторов.
Ведь главное – это понять принцип действия и детали строения, а поняв, можно разработать новые, еще более мощные, более надежные и дешевые виды катализаторов, имеющих столь большое значение в химической промышленности.
ЗАГАДКА КОЛЛОИДОВ
В обычных растворах, например кристаллов соли или сахара, кристаллы полностью смешиваются с молекулами воды.
Но, кроме обычных, существует другой тип растворов, называемых коллоидными растворами.
В этих растворах частички вещества гораздо более крупные и состоят из большого числа связанных между собой молекул. Поверхность этих частичек отделена от молекул жидкости, в которой они плавают или, как говорят, взвешены.
Частички имеют способность укрупняться, присоединяя другие, соседние с ними частицы. Когда частицы укрупнятся, они выпадают на дна в виде осадка (коагулируются).
Все мы видели студень из свиных или бараньих костей, столярный клей, желатин и другие подобные полутвердые вещества. Это коллоиды, твердые частички, взвешенные в жидкости.
Коллоиды обладают замечательными свойствами, и изучением их занимается целая отрасль науки – коллоидная химия.
Коллоидная химия – это новая, интересная и очень важная отрасль науки. Она широко применяется почти во всех отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.
Изображение коллоидов в электронном микроскопе.
Очень многие вещества способны образовывать коллоидные растворы. Различные эмульсии, краски, лаки, сажа, органические соединения многих металлов дают коллоидные растворы. Железо, марганец, алюминий часто встречаются в природе в виде коллоидных растворов. Органические вещества почвы на 40 процентов состоят из коллоидов.
Для решения многих вопросов, интересующих биологию, геологию, промышленность и сельское хозяйство, необходимо видеть своими глазами коллоиды, эти мельчайшие частицы материи. Очень важно знать не только размеры коллоидных частиц, но и их форму и взаимное расположение.
Свойства коллоидов зависят не только от состава входящих в них элементов, но и от других причин.
Далеко не все равно, будут ли частички вещества в виде шариков или пластинок, ромбовидных или игольчатых длинных кристаллов.
Для свойств вещества небезразлично, как связаны между собой эти мельчайшие, невидимые в обычный оптический микроскоп частицы.
Коллоидные частицы (мицеллы) нельзя разглядеть в самый лучший оптический микроскоп, так они ничтожно малы. Делу может помочь только электронный микроскоп.
ПРОЧНАЯ ЭЛАСТИЧНАЯ РЕЗИНА
Проведите слегка пальцем по внутренней поверхности печной или самоварной трубы. Палец запачкается. Он станет черным от сажи. Для работы печи сажа вредна. Она засоряет отверстия труб, дым проходит плохо, тяга уменьшается. Иногда сажа загорается, вызывая пожары.
Кажется, ничего интересного в саже нет. Но это только так кажется. На самом деле сажа – чрезвычайно ценный продукт для резиновой промышленности. Она входит в состав как натуральной, так и искусственной (синтетической) резины.
Прочность многих резиновых изделий и их долговечность зависят от этого невзрачного продукта – сажи.
Тонкая сажа.
Размер отдельных мельчайших частичек сажи и их взаимная связь сильно влияют на механическую прочность и износ резиновых изделий.
Но частицы сажи настолько малы по своим размерам, что разглядеть подробности их строения в обычный оптический микроскоп невозможно.
Не зная размеров частиц сажи, получают резину самого различного качества, а потом удивляются: почему полученная резина малоэластична и рвется, вместо того чтобы растягиваться? Делали ее всегда одним и тем же методом, но в одной партии получается хорошая резина, а в другой – брак. Одни и те же порции составных частей резины, одни и те же температура и длительность нагрева, того же качества каучук, словом все то же самое, а качество резины разное!
В чем тут дело?
Почему так получается?
Оказывается, причину надо искать в размерах частиц сажи и в их взаимном расположении.
Но как же определить размер этих еле видимых в оптический микроскоп частиц?
Тут-то и приходит на помощь электронный микроскоп. Он не только определяет размер и взаимное расположение частиц сажи, но и их внутреннее строение.
Электронный микроскоп не ошибется. Он своевременно уловит несоответствие сажи предъявляемым к ней требованиям и совершенно точно определит причины брака резины. Брак будет своевременно обнаружен, а партия недоброкачественной сажи будет изъята и заменена другой.
Внутреннее строение (структуру) самого каучука, резины и пластмасс также изучают в электронном микроскопе, изготовляя из них очень тонкие пленки.
Структура каучука в электронном микроскопе.
Электронный микроскоп, проникая в глубину строения веществ, помогает находить правильные способы обработки и получать высокое качество продукции.
Резиновая обувь, купленная вами в магазине, будет служить долго, и рваные калоши станут редкостью. Приготовленные из материалов высокого качества, ваши калоши долго будут выглядеть, как новые.
СЕКРЕТ КРАСКИ
Краски имеют большое значение в технике, производстве и быту. Почти все вещи, окружающие нас, покрыты слоем краски. Стены, пол, мебель в комнате, предметы, стоящие на вашем письменном столе, кровать – все это выкрашено в ту или иную краску. Железнодорожные и трамвайные вагоны, автобусы, крыши жилых домов и многое другое, что нам попадается на каждом шагу, покрыто краской. Она придает предметам красивый, изящный вид и имеет большое практическое значение – предохраняет многие изделия от разрушающего действия водяных паров, воздуха и температурных колебаний. Во влажном воздухе не так быстро гниет дерево, покрытое тонким слоем краски, не окисляются металлы.
Прочность защитных покрытий во многом зависит от внутреннего строения частиц краски. Иной раз выкрасишь какую-нибудь вещь, смотришь – а через короткое время краска уже потрескалась, покоробилась, шелушится, отваливается.
Изделие стало некрасивым, каким-то рябым, и, что самое главное, нарушился его защитный покров.
Другая же краска, наоборот, очень стойкая и держится годами почти без изменения.
Или взять, например, краску для материи. Одна краска быстро линяет при первой же стирке, а на другую не действуют ни высокая температура воды и пара, ни дождь, ни снег.
В чем же тут дело?
Почему одна краска хороша, а другая, и по химическому составу и по внешнему виду совершенно такая же, на деле никуда не годится?
Дело в структуре (внутреннем строении) краски.
Защитные свойства краски, ее прочность и устойчивость зависят от размеров отдельных частичек, от их формы (круглой, кубической, ромбовидной, игольчатой) и взаимного расположения.
Изучение этой тонкой структуры можно осуществить, только пользуясь электронным микроскопом.
Существует краситель, который называется гемоцианином.
Только в электронный микроскоп можно увидеть отдельные молекулы этой краски.
Молекулы гемоцианина. Увеличение – 45 000.
На микрофотографии они выглядят, как маленькие шарики, и настолько малы, что на протяжении одного микрона можно уместить более тридцати молекул гемоцианина.
По величине, форме и взаимному расположению молекул можно судить о качестве этого красителя. Никакие другие приборы, кроме электронного микроскопа, не дают возможности рассмотреть молекулы гемоцианина.
СЕРЕБРЯНАЯ ЭМУЛЬСИЯ
Фотографические карточки бывают разные. Одни ясные, четкие, другие туманные, тусклые. На одни карточки приятно посмотреть. Смотришь – и не можешь налюбоваться каким-нибудь портретом или пейзажем. А на другие и смотреть не хочется: какие-то неясные фигуры, трудно различимые очертания лица, непонятные предметы.
Часто это объясняется плохим качеством светочувствительной эмульсии, нанесенной на фотопластинку или на фотобумагу.
Эмульсия, нанесенная тонким слоем на пластинку, на первый взгляд кажется сплошной. На самом же деле она состоит из отдельных зернышек сложного химического соединения. Чем крупнее зернышки, тем хуже получается изображение. И наоборот: чем тоньше, мельче фотографическая эмульсия, тем качество фотопластинок выше.
Электронный микроскоп позволяет детально изучить строение фотографических эмульсий и процессы, происходящие при фотографировании. Это помогает получать снимки высокого качества.
Теперь, услышав предупредительный возглас фотографа: «Спокойно – снимаю», вы действительно можете быть спокойны за качество фотоснимка.
Высокое качество фотоснимков особенно важно при съемке местности с самолетов и в других ответственных работах.
ШЕСТИГРАННЫЕ КРИСТАЛЛИКИ
Глина – прекрасный строительный материал. Из нее делают кирпичи для постройки жилых домов, заводов и фабрик. Из глины также делают посуду: горшки, тарелки, миски, чашки и многое другое. Одним словом, глина применяется в самых разнообразных отраслях техники.
Электронный микроскоп с успехом используется для исследования тонкого строения глины. Пользуясь этим прибором, исследователи увидели, например, что глинистый минерал каолинит состоит из очень тонких шестигранных кристалликов, прозрачных для электронных лучей.
Знание тонкого строения глинистых минералов дало возможность правильно их обрабатывать: были подобраны подходящие давление при прессовании и температура обжига.
Каолинит. Увеличение —17 000.
Из глины стали получать материалы более высокого качества при меньшей затрате технических и денежных средств.
Это стало возможным только потому, что советским ученым с помощью электронного микроскопа удалось проникнуть взором в глубь вещества.
С таким же успехом, как глины, исследуют другой важный строительный материал – цемент.
От величины и формы частиц цемента, а также от их взаимного расположения зависит прочность зданий, мостов, плотин и многих других железобетонных сооружений.
АЛМАЗНЫЙ РЕЗЕЦ
Электронный микроскоп также широко применяется для исследования стекла и фарфора.
Прочность и электрическая устойчивость фарфоровых высоковольтных изоляторов зависят от состава отдельных мельчайших частиц фарфора, от их формы и взаимного расположения. Многие другие изделия из стекла и фарфора исследуют с помощью электронного микроскопа.
Особенно большое значение имеет точная обработка всевозможных лабораторных физических приборов.
Для получения необходимой точности стекло шлифуют и полируют. Но как и чем лучше шлифовать и полировать стекло, чтобы на нем не получилось ни единой, даже самой незначительной царапинки? Какой состав порошков (абразивов) нужно выбирать для обработки стекла того или иного сорта? С какой скоростью лучше всего полировать стекло? Нужно ли это делать очень медленно или, наоборот, быстро?
На все эти вопросы дает ответ электронный микроскоп. Он позволяет с большой точностью определить, как и чем лучше обрабатывать стеклянные изделия, предназначенные для сложных установок.
Одним из таких важных стеклянных изделий является так называемая дифракционная решетка. Это физический прибор, употребляемый во многих научных лабораториях для спектрального анализа.
По виду дифракционная решетка очень проста и незамысловата. Это стеклянная круглая или прямоугольная пластинка, укрепленная в лабораторном штативе (подставке).
Но это не обычная пластинка. Если внимательно вглядеться в нее, то можно заметить, что она вся испещрена тончайшими очень ровными линиями – штрихами.
Штрихи наносятся на очень точных делительных машинах. На один миллиметр поверхности дифракционной решетки приходится от 1000 до 1500 линий. Можно себе представить, какая это топкая работа!
Микрофотография дифракционной решетки.
Расстояние между каждой линией менее тысячной доли миллиметра. Эти тончайшие линии наносятся на стекло посредством алмазных резцов.
Но как проверить, правильно ли нанесены линии алмазным резцом на стекло, достаточно ли точно выбран угол, под которым наносятся штрихи?
Электронный микроскоп позволяет дать ответ и на этот вопрос. Фотоснимки дифракционной решетки при увеличении в 10 тысяч раз и более помогают определить правильность и точность нанесения штрихов на стекло. На фотоснимке отчетливо вырисовываются следы работы алмазного резца. Если края линий получаются неровными или угол между ними выдержан неточно, электронный микроскоп укажет на это. Работники, изготовляющие дифракционные решетки, немедленно устранят дефекты.
Пользуясь электронным микроскопом, можно получать изделия исключительно высокого качества.
СЕРЕБРЯНЫЕ ОСТРОВКИ
Весьма полезным оказывается электронный микроскоп при изучении тонких металлических слоев, получаемых испарением в вакууме или катодным распылением.
При изготовлении фотоэлементов, этих чудесных электрических глаз, тончайший слой цезия или другого светочувствительного металла наносится на серебряную подкладку внутри стеклянной колбочки.
От правильного распределения этих тончайших слоев металла на поверхности стеклянной колбочки и от их структуры зависят физические свойства пленок и их долговечность.
На первый взгляд тонкий слой серебра, испаренного в вакууме, кажется сплошным и равномерно распределенным. Но электронный микроскоп нам показывает, что этот слой не сплошной и серебро лежит мельчайшими кусочками, расположенными в виде отдельных островков. Добиваясь измельчения этих кусочков металла, получают более равномерную пленку. Чем равномернее слой металла, из которого сделана пленка, тем он лучше в работе.
Быстро мчится товарный поезд, разрезая стальной грудью воздух. Ночь. Ритмично постукивают колеса вагонов на стыках рельсов. Все спокойно и тихо. Поездная бригада и не подозревает о грозной опасности, нависшей над железнодорожным составом.
Но вот большая станция. Осмотрщики с фонарями в руках проверяют исправность вагонов. Они простукивают колеса и оси вагонов, заглядывают в буксы. Их чуткий слух улавливает малейшую неисправность.
Вот уже проверено несколько вагонов. Еще немного – и поезду будет разрешено следовать дальше. Но что это? У одного вагона осмотрщики задержались. Оказалось, что лопнула шейка оси.
Не прояви осмотрщики достаточной бдительности, крушение поезда было бы неминуемо. Погибли бы, быть может, человеческие жизни и тысячи тонн ценных грузов.
Почему же лопнула ось? Этому виной был микроскопический мир кристаллов металла, из которого она была изготовлена. Правда, такие случаи редки. Но чтобы их не было совсем, необходимо тщательное изучение мельчайшего мира кристаллов, детально рассмотреть который мы можем кроме других методов, пользуясь и электронным микроскопом.
Перед нами гладкая поверхность кусочка металла, неподвижная плоскость. Этот металл будет использован для изготовления ответственного сооружения. Он должен быть прочен и способен противостоять разрушительной силе времени. Его нужно всесторонне исследовать.
Может быть, он не годится для изготовления важного сооружения и его лучше использовать в других, менее ответственных случаях?
Построят из такого металла железнодорожный мост, он постоит некоторое время, а потом рухнет! Нельзя пускать металл в работу, предварительно всесторонне его не исследовав.
Но как же испытать в электронном микроскопе этот кусок металла? Ведь для электронных лучей он непрозрачен. Можно вырезать из него тончайшую пластинку, но и она будет непроницаема для электронных лучей. Вначале казалось, что изучение под электронным микроскопом металлов – задача неразрешимая.
Физики и химики обошли это затруднение. Они накладывают на кусочек металла тонкую пленку прозрачного лака. Лак высыхает, и его пленка плотно прилипает к металлу. Образовавшуюся пленку осторожно снимают.
Для этого образец металла погружают в воду, где от него пленка лака легко отделяется. На стороне пленки, обращенной к металлу, запечатлеваются все тончайшие детали строения его поверхности.
Пленка – это слепок. Это крошечная маска, снятая с «лица» металла. В электронном микроскопе мы видим точное отображение поверхности металла.
Получение слепков. Слева – поверхность металла, в центре – поверхность с репликой, справа – снятая реплика.
Человеческому воображению трудно на первых порах представить, как мельчайшие частицы какого-либо металла, абсолютно невидимые, вдруг появляются в поле нашего зрения. Перед нашими глазами возникает дикий и живописный мир: глыбы, утесы, пропасти, снеговые вершины, извилистые трещины. Вот что видно на помещенной в микроскоп тончайшей пленке лака.
Электронный микроскоп рассказывает исследователю, насколько пригоден металл для постройки и что нужно с ним сделать, чтобы он был прочнее, крепче.
Может быть, прежде чем из этого металла изготовлять ответственные детали, его нужно дополнительно обработать: нагреть до определенной температуры, охладить с той или иной скоростью, вторично пропустить через прокатный стан и так далее.
У электронного микроскопа свой язык, который знают только люди, с ним работающие. Для остальных, непосвященных, этот язык непонятен. Исследователю же совершенно ясно, что означает вон та точка, вот эта трещинка или искрящийся в электронных лучах излом крошечного кусочка металла. Он один умеет разговаривать с электронным микроскопом на его языке.
Изучение металлов под электронным микроскопом дает возможность по-новому определять их строение, вскрывать секреты стойкости против окисления (коррозии) и многое другое.
В мир бесконечно малых величин вводит человека электронный микроскоп. Этот исключительный по своей сложности и тонкости аппарат открывает перед советской наукой широчайшие перспективы в области дальнейшего исследования тайн природы.
