Elektronmikroskopet uppfanns. Ljus- och elektronmikroskop

ElektrOnalmikroskopOP(engelska - elektronmikroskop) – Detta är en anordning för att observera och fotografera multiplicera (upp till 1·10 6 gånger) förstorade bilder av objekt, där man istället för ljusstrålar använder elektronstrålar, accelererade till höga energier (30 - 100 keV eller mer) i djupa vakuumförhållanden.

Transmissionselektronmikroskop (TEM) har den högsta upplösningsförmågan och överträffar ljusmikroskop i denna parameter med flera tusen gånger. Den så kallade upplösningsgränsen, som kännetecknar enhetens förmåga att separat avbilda små, maximalt placerade detaljer av ett objekt, för TEM är 2 - 3 A°. På gynnsamma förhållanden enskilda tunga atomer kan fotograferas. Vid fotografering av periodiska strukturer, såsom atomplan av kristallgitter, är det möjligt att uppnå en upplösning på mindre än 1 A°.

För att bestämma strukturen hos fasta ämnen är det nödvändigt att använda strålning med en våglängd λ kortare än de interatomära avstånden. I ett elektronmikroskop används elektronvågor för detta ändamål.

De Broglie våglängd λ B för en elektron som rör sig med hastighet V

Var sid- hans impuls, h- Plancks konstant, m 0 - elektronvilomassa, V- dess hastighet.

Efter enkla transformationer finner vi att de Broglie-våglängden för en elektron som rör sig i ett accelererande enhetligt elektriskt fält med en potentialskillnad U, är jämställd

. (1)

I uttryck för λ B tas inte hänsyn till den relativistiska korrigeringen, vilken är signifikant endast vid höga elektronhastigheter V>1·10 5 V.

Värdet på λ B är mycket litet, vilket möjliggör hög upplösning av elektronmikroskopet.

För elektroner med energier från 1 eV upp till 10 000 eV ligger de Broglies våglängd i området från ~1 nm till 10 −2 nm, det vill säga i våglängdsområdet röntgenstrålning. Därför bör vågegenskaperna hos elektroner visa sig, till exempel när de är utspridda på samma kristaller som diffraktion Röntgenstrålar. [

Moderna mikroskop har en upplösning på (0,1 – 1) nm vid en elektronenergi på (1·10 4 – 1·10 5) eV, vilket gör det möjligt att observera grupper av atomer och även enskilda atomer, punktdefekter, ytrelief, etc.

Transmissionselektronmikroskopi

Det elektronoptiska systemet i ett transmissionselektronmikroskop (TEM) inkluderar: elektronkanon I och kondensor 1, utformade för att tillhandahålla mikroskopets belysningssystem; objektiv 2, mellanliggande 3 och projektion 4 linser som utför visningen; övervaknings- och fotokamera E (Fig. 1).

Figur 1. Strålbana i TEM i bildobservationsläge

I plankonjugatet till objektet bildar objektivlinsen den första mellanbilden av objektet. Alla elektroner som emanerar från en punkt på ett objekt hamnar i en punkt på det konjugerade planet. Sedan, med hjälp av en mellan- och projektionslins, erhålls en bild på en fluorescerande mikroskopskärm eller fotografisk platta. Denna bild förmedlar de strukturella och morfologiska egenskaperna hos provet.

TEM använder magnetiska linser. Linsen består av en lindning, ett ok och ett polstycke, som koncentrerar magnetfältet till en liten volym och därigenom ökar linsens optiska kraft.

TEM har den högsta upplösningsförmågan (PC) och överträffar ljusmikroskop i denna parameter med flera tusen gånger. Den så kallade upplösningsgränsen, som kännetecknar en enhets förmåga att separat avbilda små, maximalt placerade detaljer av ett objekt, för TEM är 2 – 3 A°. Under gynnsamma förhållanden är det möjligt att fotografera enskilda tunga atomer. Vid fotografering av periodiska strukturer, såsom atomplan av kristallgitter, är det möjligt att uppnå en upplösning på mindre än 1 A°. Så höga upplösningar uppnås på grund av den extremt korta de Broglie-våglängden hos elektronerna. Optimal bländare gör det möjligt att minska linsens sfäriska aberration, vilket påverkar PC TEM, med ett tillräckligt litet diffraktionsfel. Inga effektiva metoder för att korrigera avvikelser har hittats. Därför, i TEM, har magnetiska elektronlinser (EL), som har mindre aberrationer, helt ersatt elektrostatiska EL. PEM tillverkas för olika ändamål. De kan delas in i 3 grupper:

förenklad PEM,

Högupplöst TEM,

TEM med ökad accelerationsspänning.

1. Förenklad FEM designad för studier som inte kräver hög PC. De är enklare i designen (inklusive 1 kondensor och 2 - 3 linser för att förstora bilden av ett objekt), de kännetecknas av en lägre (vanligtvis 60 - 80 kV) accelerationsspänning och dess lägre stabilitet. Datorn för dessa enheter är från 6 till 15. Andra applikationer är förhandsgranskning av objekt, rutinforskning, utbildningsändamål. Tjockleken på ett föremål som kan "belysas" av en elektronstråle beror på accelerationsspänningen. Objekt med en tjocklek från 10 till flera tusen A° studeras i en TEM med en accelerationsspänning på 100 kV.

2. Högupplöst TEM(2 – 3 Å) – som regel universella multifunktionsenheter (Fig. 2, a). Med hjälp av ytterligare enheter och tillbehör kan du luta ett objekt i olika plan i stora vinklar mot den optiska axeln, värma, kyla, deformera det, utföra röntgenstrukturanalys, elektrondiffraktionsstudier etc. Elektronaccelerationsspänningen når 100 - 125 kV, justerbar i steg och är mycket stabil: på 1–3 minuter ändras den med högst 1–2 ppm från utgångsvärdet. Ett djupt vakuum skapas i dess optiska system (kolumn) (tryck upp till 1·10 -6 mm Hg). Diagrammet för det optiska TEM-systemet visas i fig. 2, b. En elektronstråle, vars källa är en termionisk katod, bildas i en elektronkanon och fokuseras sedan två gånger av den första och andra kondensorn, vilket skapar en elektron "fläck" på föremålet, vars diameter kan ändras från 1 till 20 mikron. Efter att ha passerat genom föremålet sprids en del av elektronerna och fördröjs av aperturmembranet. Ospridda elektroner passerar genom bländaren och fokuseras av linsen i den mellanliggande linsens objektplan. Här bildas den första förstorade bilden. Efterföljande linser skapar en andra, tredje, etc. bild. Den sista linsen bildar en bild på en fluorescerande skärm som lyser när den utsätts för elektroner

TEM-förstoringen är lika med produkten av förstoringen av alla linser. Graden och naturen av elektronspridning är inte densamma vid olika punkter på ett objekt, eftersom objektets tjocklek, densitet och kemiska sammansättning ändras från punkt till punkt. Följaktligen ändras antalet elektroner som kvarhålls av bländarbländaren efter att ha passerat genom olika punkter på objektet, och följaktligen strömtätheten i bilden, som omvandlas till ljuskontrast på skärmen. Under skärmen finns ett magasin med fotografiska plattor. Vid fotografering tas skärmen bort och elektroner verkar på emulsionsskiktet. Bilden fokuseras genom att ändra strömmen som exciterar linsens magnetfält. Strömmarna för de andra linserna justeras för att ändra förstoringen av TEM.

3. TEM med ökad accelerationsspänning(upp till 200 kV) är designade för att studera tjockare föremål (2 - 3 gånger tjockare) än konventionella TEM. Deras upplösning når 3 – 5 Å. Dessa enheter skiljer sig åt i designen av elektronpistolen: för att säkerställa elektrisk styrka och stabilitet har den två anoder, varav den ena levereras med en mellanpotential som är lika med halva accelerationsspänningen. Linsernas magnetomotoriska kraft är större än i en TEM med en accelerationsspänning på 100 kV, och själva linserna har ökade dimensioner och vikt.

4. Ultrahögspänningselektronmikroskop(SVEM) – stora enheter (Fig. 3) med en höjd av 5 till 15 m, med en accelerationsspänning på 0,50 – 0,65; 1 – 1,5 och 3,5 MV.

För dem byggs särskilda lokaler. SVEM är designade för att studera föremål med en tjocklek från 1 till 10 mikron. Elektronerna accelereras i en elektrostatisk accelerator (kallad direktaccelerator) placerad i en tank fylld med elektriskt isolerande gas under tryck. I samma eller ytterligare tank finns en högspänningsstabiliserad kraftkälla. I framtiden - skapandet av en TEM med en linjär accelerator, där elektroner accelereras till energier på 5 - 10 MeV. När man studerar tunna föremål är PC SVEM lägre än för TEM. För tjocka föremål är PC SVEM 10–20 gånger överlägsen PC TEM med en accelerationsspänning på 100 kV. Om provet är amorft bestäms kontrasten i den elektroniska bilden av provmaterialets tjocklek och absorptionskoefficient, vilket observeras till exempel när man studerar ytmorfologin med plast- eller kolkopior. I kristaller uppstår dessutom elektrondiffraktion, vilket gör det möjligt att bestämma kristallens struktur.

I

Fig.4. Bländarläge D för ljust fält ( A) och mörkt fält ( b) bilder: P - transmitted ray; D- diffrakterad stråle; Arr - prov; I - elektronpistol

bilden bildas av den transmitterade strålen P, den diffrakterade strålen D skärs av av öppningsmembranet D (fig. 4, A), detta är en ljusfältsbild;

apertur membran D tillåter diffraktion D stråle, som skär av det överförda P, detta är en mörkfältsbild (Fig. 4, b);

för att erhålla ett diffraktionsmönster fokuseras objektivlinsens bakre fokalplan på mikroskopskärmen (fig. 4). Därefter observeras diffraktionsmönstret från det genomlysta området av provet på skärmen.

För att observera bilden i linsens bakre fokalplan installeras ett bländarbländare, som ett resultat minskas bländaren för strålarna som bildar bilden och upplösningen ökas. Samma bländare används för att välja observationsläge (se fig. 2 och 5).

Fig. 5. Strålväg i TEM i mikrodiffraktionsläge D - membran; Och - källa till elektroner; Arr - prov; E – skärm; 1 - kondensor, 2 - objektiv, 3 - mellanliggande, 4 - projektionslinser

Hur fungerar ett elektronmikroskop? Vad är det för skillnad från ett optiskt mikroskop, finns det någon analogi mellan dem?

Driften av ett elektronmikroskop är baserad på egenskapen hos inhomogena elektriska och magnetiska fält, som har rotationssymmetri, att ha en fokuserande effekt på elektronstrålar. Således spelas linsernas roll i ett elektronmikroskop av en uppsättning lämpligt beräknade elektriska och magnetiska fält; motsvarande enheter som skapar dessa fält kallas "elektroniska linser".

Beroende på typ av elektroniska linser elektronmikroskop är indelade i magnetiska, elektrostatiska och kombinerade.

Vilken typ av föremål kan undersökas med ett elektronmikroskop?

Precis som i fallet med ett optiskt mikroskop kan föremål för det första vara "självlysande", det vill säga tjäna som en elektronkälla. Detta är till exempel en uppvärmd katod eller en belyst fotoelektronkatod. För det andra kan föremål användas som är "transparenta" för elektroner med en viss hastighet. Med andra ord, när man arbetar i transmission måste föremålen vara tillräckligt tunna och elektronerna tillräckligt snabba så att de passerar genom föremålen och kommer in i elektronlinssystemet. Dessutom, genom att använda reflekterade elektronstrålar, kan ytorna på massiva föremål (främst metaller och metalliserade prover) studeras. Denna observationsmetod liknar reflekterande optiska mikroskopimetoder.

Enligt arten av studien av föremål delas elektronmikroskop in i transmission, reflektion, emission, raster, skugga och spegel.

De vanligaste för närvarande är elektromagnetiska mikroskop av transmissionstyp, där bilden skapas av elektroner som passerar genom observationsobjektet. Den består av följande huvudkomponenter: ett belysningssystem, en objektkamera, ett fokuseringssystem och en slutlig bildinspelningsenhet, bestående av en kamera och en fluorescerande skärm. Alla dessa noder är förbundna med varandra och bildar en så kallad mikroskopkolonn, inuti vilken trycket upprätthålls. Belysningssystemet består vanligtvis av en elektronkanon med tre elektroder (katod, fokuseringselektrod, anod) och en kondensorlins (vi pratar om elektronlinser). Den bildar en stråle av snabba elektroner med önskad tvärsektion och intensitet och riktar den till objektet som studeras i objektkammaren. En elektronstråle som passerar genom ett föremål kommer in i ett fokuseringssystem (projektionssystem) som består av en objektivlins och en eller flera projektionslinser.

Ett transmissionselektronmikroskop är en anordning för att erhålla förstorade bilder av mikroskopiska föremål, som använder elektronstrålar. Elektronmikroskop har högre upplösning än optiska mikroskop, och de kan också användas för att få ytterligare information om ett föremåls material och struktur.
Det första elektronmikroskopet byggdes 1931 av de tyska ingenjörerna Ernst Ruska och Max Barrel. Ernst Ruska fick för denna upptäckt Nobelpriset i fysik 1986. Han delade det med uppfinnarna av tunnelmikroskopet eftersom Nobelkommittén ansåg att uppfinnarna av elektronmikroskopet orättvist hade glömts bort.
Ett elektronmikroskop använder fokuserade strålar av elektroner för att producera bilder som bombarderar ytan på föremålet som studeras. Bilden kan observeras på olika sätt - i strålar som passerat genom föremålet, i reflekterade strålar, genom att registrera sekundära elektroner eller röntgenstrålar. Fokusering av en elektronstråle med hjälp av speciella elektronlinser.
Elektronmikroskop kan förstora bilder 2 miljoner gånger. Den höga upplösningen hos elektronmikroskop uppnås på grund av elektronens korta våglängd. Medan våglängden synligt ljus ligger i området från 400 till 800 nm, är våglängden för en elektron accelererad vid en potential på 150 V 0,1 nm. Således kan elektronmikroskop praktiskt taget se föremål som är lika stora som en atom, även om detta är svårt att uppnå praktiskt.
Schematisk struktur hos ett elektronmikroskop Strukturen hos ett elektronmikroskop kan övervägas med exemplet på en anordning som arbetar i transmission. En monokromatisk stråle av elektroner bildas i en elektronkanon. Dess egenskaper förbättras av ett kondensorsystem som består av ett kondensatormembran och elektroniska linser. Beroende på typ av lins, magnetisk eller elektrostatisk, skiljer man på magnetiska och elektrostatiska mikroskop. Därefter träffar strålen objektet och sprider sig på det. Den spridda strålen passerar genom bländaren och går in i objektivlinsen, som är utformad för att sträcka ut bilden. En utsträckt stråle av elektroner gör att fosforn lyser på skärmen. Moderna mikroskop använder flera nivåer av förstoring.
Bländarbländaren i elektronmikroskoplinsen är mycket liten och uppgår till hundradelar av en millimeter.
Om en elektronstråle från ett objekt riktas direkt mot skärmen, kommer objektet att se mörkt ut på det och en ljus bakgrund bildas runt det. Denna bild kallas Svitlopolnym. Om det inte är grundstrålen som kommer in i objektivlinsens bländare, utan en spridd stråle, då mörkt fält Bilder. Den mörka fältbilden är mer kontrasterande än ljusfältsbilden, men dess upplösning är lägre.
Det är många olika typer och design av elektronmikroskop. De viktigaste är:

Transmissionselektronmikroskop är en anordning där en elektronstråle lyser genom ett föremål.

Ett svepelektronmikroskop låter dig studera enskilda områden av ett objekt.

Ett svepelektronmikroskop använder sekundära elektroner som slås ut av en elektronstråle för att undersöka ytan på ett föremål.

Ett reflektorelektronmikroskop använder elastiskt spridda elektroner.

Elektron mikroskop Det är också möjligt att utrusta ett system för att detektera röntgenstrålar, som sänds ut av starkt exciterade materiaatomer när de kolliderar med högenergielektroner. När en elektron slås ut ur det inre elektronskalet bildas karakteristisk röntgenstrålning, genom att studera vilken det är möjligt att fastställa materialets kemiska sammansättning.
Genom att studera spektrumet av oelastiskt spridda elektroner kan man få information om de karakteristiska elektroniska excitationerna i materialet i föremålet som studeras.
Elektronmikroskop används ofta inom fysik, materialvetenskap och biologi.

Igår tog jag en bild på en vit Audi. Det visade sig vara ett fantastiskt foto på Audin från sidan. Det är synd att stämningen inte syns på bilden.

ELEKTRON MIKROSKOP- en högspänningsvakuumanordning där en förstorad bild av ett föremål erhålls med hjälp av ett flöde av elektroner. Designad för forskning och fotografering av föremål i hög förstoring. Elektronmikroskop har hög upplösning. Elektronmikroskop används i stor utsträckning inom vetenskap, teknik, biologi och medicin.

Baserat på funktionsprincipen särskiljs transmission (transmission), skanning, (raster) och kombinerade elektronmikroskop. Den senare kan arbeta i sändning, skanning eller i två lägen samtidigt.

Den inhemska industrin började tillverka transmissionselektronmikroskop i slutet av 40-talet av 1900-talet. Behovet av att skapa ett elektronmikroskop orsakades av ljusmikroskopens låga upplösning. För att öka upplösningen krävdes en strålningskälla med kortare våglängd. Lösningen på problemet blev möjlig endast med användningen av en elektronstråle som en belysning. Våglängden för ett flöde av elektroner som accelereras i ett elektriskt fält med en potentialskillnad på 50 000 V är 0,005 nm. För närvarande har en upplösning på 0,01 nm för guldfilmer uppnåtts på ett transmissionselektronmikroskop.

Diagram över ett transmissionselektronmikroskop: 1 - elektronpistol; 2 - kondensatorlinser; 3 - lins; 4 - projektionslinser; 5 - rör med visningsfönster genom vilka du kan observera bilden; 6 - högspänningskabel; 7 - vakuumsystem; 8 - kontrollpanel; 9 - stativ; 10 - högspänningsströmförsörjningsanordning; 11 - strömförsörjning för elektromagnetiska linser.

Det schematiska diagrammet för ett transmissionselektronmikroskop skiljer sig inte mycket från diagrammet för ett ljusmikroskop (se). Strålvägen och de grundläggande designelementen för båda mikroskopen liknar varandra. Trots det stora utbudet av elektronmikroskop som produceras är de alla byggda enligt samma schema. Huvuddesignelementet för ett transmissionselektronmikroskop är en mikroskopkolonn, bestående av en elektronkälla (elektronpistol), en uppsättning elektromagnetiska linser, en scen med en objekthållare, en fluorescerande skärm och en fotoinspelningsenhet (se diagram). Alla strukturella element i mikroskopkolonnen monteras hermetiskt. Ett system av vakuumpumpar i kolonnen skapar ett djupt vakuum för obehindrad passage av elektroner och skyddar provet från förstörelse.

Flödet av elektroner genereras i en mikroskoppistol, byggd på principen om en treelektrodlampa (katod, anod, kontrollelektrod). Som ett resultat av termisk emission frigörs elektroner från en uppvärmd V-formad volframkatod, som accelereras till höga energier i ett elektriskt fält med en potentialskillnad från flera tiotal till flera hundra kilovolt. Genom ett hål i anoden rusar en ström av elektroner in i de elektromagnetiska linsernas lumen.

Tillsammans med termioniska katoder av volfram använder elektronmikroskop stav- och fältemissionskatoder, som ger en betydligt högre elektronstråledensitet. För deras funktion krävs dock ett vakuum på minst 10^-7 mmHg. Art., vilket skapar ytterligare design- och driftssvårigheter.

Ett annat huvudelement i mikroskoppelarens design är en elektromagnetisk lins, som är en spole med ett stort antal varv av tunna koppartråd, placerad i ett skal av mjukt järn. När elektrisk ström passerar genom linsens lindning bildas ett elektromagnetiskt fält i den, vars kraftlinjer är koncentrerade i skalets inre ringformiga brott. För att förstärka magnetfältet placeras ett polstycke i diskontinuitetsområdet, vilket gör det möjligt att få ett kraftfullt, symmetriskt fält med minimal ström i linslindningen. Nackdelen med elektromagnetiska linser är olika aberrationer som påverkar mikroskopets upplösning. Högsta värde har astigmatism orsakad av asymmetri i linsens magnetfält. För att eliminera det används mekaniska och elektriska stigmatorer.

Uppgiften med dubbla kondensatorlinser, som kondensorn i ett ljusmikroskop, är att ändra belysningen av ett föremål genom att ändra elektronflödestätheten. Kondensatorlinsens membran med en diameter på 40-80 mikron väljer den centrala, mest homogena delen av elektronmassan. Objektivlinsen är den kortaste brännvidden med ett kraftfullt magnetfält. Dess uppgift är att fokusera och initialt öka rörelsevinkeln för elektroner som passerar genom ett föremål. Mikroskopets upplösningsförmåga beror till stor del på kvaliteten på utförande och enhetligheten hos materialet i objektivlinsens polstycke. I mellan- och projektionslinserna ökar vinkeln för elektronrörelse ytterligare.

Särskilda krav ställs på tillverkningskvaliteten av objektbordet och objekthållaren, eftersom de inte bara ska flytta och luta provet i givna riktningar vid hög förstoring, utan även vid behov utsätta det för sträckning, uppvärmning eller kylning.

En ganska komplex elektronisk-mekanisk anordning är fotoinspelningsdelen av mikroskopet, som möjliggör automatisk exponering, byte av fotografiskt material och inspelning av de nödvändiga mikroskopilägena på den.

Till skillnad från ett ljusmikroskop är föremålet för studien i ett transmissionselektronmikroskop monterat på tunna galler gjorda av icke-magnetiskt material (koppar, palladium, platina, guld). En substratfilm gjord av kollodium, formvar eller kol med en tjocklek på flera tiotals nanometer fästs på gallren, sedan appliceras ett material som utsätts för mikroskopisk undersökning. Interaktionen mellan infallande elektroner och provatomer leder till en förändring i deras rörelseriktning, avböjning i små vinklar, reflektion eller fullständig absorption. Endast de elektroner som avböjdes av provsubstansen i små vinklar och kunde passera genom objektivlinsens öppningsbländare deltar i bildandet av en bild på en självlysande skärm eller fotografiskt material. Bildkontrasten beror på förekomsten av tunga atomer i provet, vilket starkt påverkar elektronernas rörelseriktning. För att förbättra kontrasten hos biologiska föremål, byggda huvudsakligen av lätta element, använder de olika metoder kontrasterande (se Elektronmikroskopi).

Ett transmissionselektronmikroskop ger möjlighet att erhålla en mörkfältsbild av ett prov när det belyses av en lutande elektronstråle. I detta fall passerar elektroner som sprids av provet genom aperturmembranet. Mörkfältsmikroskopi ökar bildkontrasten samtidigt som den löser provdetaljer med hög upplösning. Transmissionselektronmikroskopet tillhandahåller också ett mikrodiffraktionsläge för minimala kristaller. Övergången från ljusfälts- till mörkfältsläge och mikrodiffraktion kräver inga betydande förändringar i mikroskopdesignen.

I ett svepelektronmikroskop genereras en ström av elektroner av en högspänningspistol. Med hjälp av dubbla kondensatorlinser erhålls en tunn stråle av elektroner (elektronsond). Med hjälp av avböjningsspolar utplaceras elektronsonden på provets yta, vilket orsakar strålning. Skanningssystemet i ett svepelektronmikroskop liknar systemet som producerar tv-bilder. Samspelet mellan elektronstrålen och provet leder till uppkomsten av spridda elektroner som har förlorat en del av sin energi när de interagerar med provets atomer. För att konstruera en tredimensionell bild i ett svepelektronmikroskop samlas elektroner upp av en speciell detektor, förstärks och matas till en skanningsgenerator. Antalet reflekterade och sekundära elektroner vid varje enskild punkt beror på reliefen och kemisk sammansättning provet ändras ljusstyrkan och kontrasten för bilden av objektet på kinescope i enlighet med detta. Upplösningen hos ett svepelektronmikroskop når 3 nm, förstoring - 300 000. Det djupa vakuumet i kolonnen i ett svepelektronmikroskop kräver obligatorisk uttorkning av biologiska prover med hjälp av organiska lösningsmedel eller deras lyofilisering från ett fruset tillstånd.

Ett kombinerat elektronmikroskop kan skapas på basis av ett transmissions- eller svepelektronmikroskop. Med hjälp av ett kombinerat elektronmikroskop kan du samtidigt studera ett prov i transmissions- och skanningslägen. I ett kombinerat elektronmikroskop, som i ett skanningsmikroskop, ges möjligheten för röntgendiffraktion och energidispersiv analys av den kemiska sammansättningen av ett objekts substans, samt för optisk-strukturell maskinanalys av bilder.

För att öka effektiviteten i att använda alla typer av elektronmikroskop har system skapats som gör det möjligt att omvandla en elektronmikroskopisk bild till digital form med efterföljande bearbetning av denna information på en dator.Optisk-strukturell maskinanalys möjliggör bl.a. Statistisk analys bilder direkt från mikroskopet, förbi den traditionella metoden med "negativt tryck".

Bibliografi: Stoyanova I. G. och Anaskin I. F. Physical foundations of transmission electron microscopy methods, M., 1972; Suvorov A. L. Microscopy in science and technology, M., 1981; Finean J. Biologiska ultrastrukturer, trans. från English, M., 1970; Schimmel G. Teknik för elektronmikroskopi, trans. med honom.. M., 1972. Se även bibliogr. till art. Elektronmikroskopi.

För att studera nanoobjekt, upplösningen av optiska mikroskop ( även med ultraviolett ljus) är uppenbarligen inte tillräckligt. I detta avseende på 1930-talet. idén uppstod att använda elektroner istället för ljus, vars våglängd, som vi vet från kvantfysik, hundratals gånger mindre än för fotoner.

Som ni vet är vår vision baserad på bildandet av en bild av ett föremål på ögats näthinna av ljusvågor som reflekteras från detta föremål. Om ljus passerar genom ett optiskt system innan det kommer in i ögat mikroskop, ser vi en förstorad bild. I det här fallet styrs ljusstrålarnas väg skickligt av linserna som utgör enhetens lins och okular.

Men hur kan man få en bild av ett objekt, och med en mycket högre upplösning, inte genom att använda ljusstrålning, utan ett flöde av elektroner? Med andra ord, hur är det möjligt att se objekt med hjälp av partiklar snarare än vågor?

Svaret är väldigt enkelt. Det är känt att elektronernas bana och hastighet påverkas avsevärt av externa elektromagnetiska fält, med hjälp av vilka elektronernas rörelse effektivt kan kontrolleras.

Vetenskapen om elektronernas rörelse i elektromagnetiska fält och beräkningen av enheter som bildar de nödvändiga fälten kallas elektronoptik.

En elektronisk bild bildas av elektriska och magnetiska fält på ungefär samma sätt som en ljusbild bildas av optiska linser. Därför kallas enheter för fokusering och spridning av en elektronstråle i ett elektronmikroskop " elektroniska linser”.

Elektronisk lins. Spolarna av trådar som bär ström fokuserar elektronstrålen på samma sätt som en glaslins fokuserar en ljusstråle.

Spolens magnetfält fungerar som en konvergerande eller divergerande lins. För att koncentrera magnetfältet är spolen täckt med en magnetisk " rustning» tillverkad av en speciell nickel-koboltlegering som bara lämnar ett smalt gap i den inre delen. Magnetfältet som skapas på detta sätt kan vara 10–100 tusen gånger starkare än jordens magnetfält!

Tyvärr kan våra ögon inte direkt uppfatta elektronstrålar. Därför används de för " teckning” bilder på fluorescerande skärmar (som lyser när de träffas av elektroner). Förresten, samma princip ligger till grund för driften av monitorer och oscilloskop.

Det finns ett stort antal olika typer av elektronmikroskop, bland vilka det mest populära är svepelektronmikroskopet (SEM). Vi kommer att få dess förenklade diagram om vi placerar föremålet som studeras inuti katodstråleröret på en vanlig TV mellan skärmen och elektronkällan.

I ett sådant mikroskop en tunn stråle av elektroner (strålediameter ca 10 nm) löper runt (som om den skannar) provet längs horisontella linjer, punkt för punkt, och sänder synkront signalen till kineskopet. Hela processen liknar driften av en TV under skanningsprocessen. Källan till elektroner är en metall (vanligtvis volfram), från vilken elektroner emitteras vid upphettning som ett resultat av termionisk emission.

Funktionsschema för ett svepelektronmikroskop

Termionisk emission– frigörande av elektroner från ledarnas yta. Antalet frigjorda elektroner är litet vid T=300K och ökar exponentiellt med stigande temperatur.

När elektroner passerar genom ett prov sprids några av dem på grund av kollisioner med kärnorna i provets atomer, andra sprids på grund av kollisioner med atomernas elektroner, och ytterligare andra passerar genom det. I vissa fall emitteras sekundära elektroner, induceras röntgenstrålning osv. Alla dessa processer registreras av special detektorer och i en konverterad form visas på skärmen, vilket skapar en förstorad bild av objektet som studeras.

Förstoring i detta fall förstås som förhållandet mellan storleken på bilden på skärmen och storleken på det område som täcks av strålen på provet. Eftersom våglängden på en elektron är storleksordningar mindre än en fotons, kan denna förstoring i moderna SEM nå 10 miljoner15, vilket motsvarar en upplösning på några nanometer, vilket gör det möjligt att visualisera enskilda atomer.

Största nackdelen elektronmikroskopi– behovet av att arbeta i fullständigt vakuum, eftersom närvaron av eventuell gas inuti mikroskopkammaren kan leda till jonisering av dess atomer och avsevärt förvränga resultaten. Dessutom har elektroner en destruktiv effekt på biologiska föremål, vilket gör dem otillämpliga för forskning inom många områden inom bioteknik.

Skapelsens historia elektron mikroskopär ett anmärkningsvärt exempel på en prestation baserad på ett tvärvetenskapligt förhållningssätt, när självständigt utvecklande vetenskaps- och teknikområden gick samman för att skapa ett nytt kraftfullt verktyg för vetenskaplig forskning.

Den klassiska fysikens höjdpunkt var teorin elektromagnetiskt fält, som förklarade utbredningen av ljus, elektricitet och magnetism som utbredning elektromagnetiska vågor. Vågoptik förklarade fenomenet diffraktion, mekanismen för bildbildning och spelet av faktorer som bestämmer upplösningen i ett ljusmikroskop. Framgång kvantfysik vi är skyldiga upptäckten av elektronen med dess specifika partikelvågsegenskaper. Dessa separata och till synes oberoende utvecklingsvägar ledde till skapandet av elektronoptik, vars en av de viktigaste uppfinningarna var elektronmikroskopet på 1930-talet.

Men forskarna vilade inte heller på detta. Våglängden för en elektron som accelereras av ett elektriskt fält är flera nanometer. Detta är inte dåligt om vi vill se en molekyl eller till och med ett atomgitter. Men hur ser man inuti en atom? Vad ser det ut som kemisk bindning? Hur ser processen för en enstaka kemisk reaktion ut? För detta idag i olika länder forskare utvecklar neutronmikroskop.

Neutroner ingår vanligtvis i atomkärnor tillsammans med protoner och har nästan 2000 gånger stor massaän en elektron. De som inte har glömt de Broglies formel från kvantkapitlet kommer omedelbart att inse att en neutrons våglängd är lika många gånger kortare, det vill säga den är pikometer, tusendelar av en nanometer! Då kommer atomen att framstå för forskarna inte som en suddig fläck, utan i all sin glans.

Neutron mikroskop har många fördelar - i synnerhet kartlägger neutroner väteatomer väl och penetrerar lätt tjocka lager av prover. Men det är också mycket svårt att bygga: neutroner har ingen elektrisk laddning, så de ignorerar lätt magnetiska och elektriska fält och strävar efter att undgå sensorer. Dessutom är det inte så lätt att driva ut stora, klumpiga neutroner från atomer. Därför är idag de första prototyperna av ett neutronmikroskop fortfarande väldigt långt ifrån perfekta.