ELEKTRON MIKROSKOP
en enhed, der giver dig mulighed for at få et stærkt forstørret billede af objekter ved hjælp af elektroner til at belyse dem. Et elektronmikroskop (EM) gør det muligt at se detaljer, der er for små til at blive opløst af et lys (optisk) mikroskop. EM er et af de vigtigste instrumenter til grundlæggende videnskabelig forskning i stofstrukturen, især inden for videnskabsområder som biologi og faststoffysik. Der er tre hovedtyper af elbiler. I 1930'erne blev det konventionelle transmissionselektronmikroskop (OPEM) opfundet, scanning (scanning) elektronmikroskop (SEM) i 1950'erne og scanning tunneling mikroskop (RTM) i 1980'erne. Disse tre typer mikroskoper supplerer hinanden i undersøgelsen af ​​strukturer og materialer af forskellige typer.
KONVENTIONEL TRANSMISSION ELEKTRONISK MIKROSKOP
OPEM ligner på mange måder et lysmikroskop, se MIKROSKOP, men kun for at belyse prøverne bruger det ikke lys, men en elektronstråle. Den indeholder et elektronspotlight (se nedenfor), en række kondensatorlinser, en objektivlinse og et projektionssystem, der matcher okularet, men projicerer det faktiske billede på en fluorescerende skærm eller fotografisk plade. Elektronkilden er normalt en opvarmet wolfram- eller lanthanhexaborid-katode. Katoden er elektrisk isoleret fra resten af ​​enheden, og elektronerne accelereres af et stærkt elektrisk felt. For at skabe et sådant felt holdes katoden ved et potentiale på omkring -100.000 V i forhold til de andre elektroder, som fokuserer elektronerne til en smal stråle. Denne del af enheden kaldes en elektronisk spotlight (se ELEKTRONISK PISTOL). Da elektroner er meget spredt af stof, skal der være et vakuum i mikroskopsøjlen, hvor elektronerne bevæger sig. Det opretholder et tryk, der ikke overstiger en milliardtedel af atmosfærisk.
Elektronisk optik. Et elektronisk billede dannes af elektriske og magnetiske felter på nogenlunde samme måde, som et lysbillede dannes af optiske linser. Funktionsprincippet for en magnetisk linse er illustreret af diagrammet (fig. 1). Det magnetiske felt, der skabes af spolens drejninger, som strømmen løber igennem, fungerer som en samlelinse, hvis brændvidde kan ændres ved at ændre strømmen. Da den optiske kraft af en sådan linse, dvs. evnen til at fokusere elektroner afhænger af magnetfeltstyrken nær aksen; for at øge den er det ønskeligt at koncentrere magnetfeltet i det mindst mulige volumen. I praksis opnås dette ved, at spolen næsten er fuldstændig dækket med en magnetisk "panser" lavet af en speciel nikkel-kobolt-legering, der kun efterlader et smalt mellemrum i dens indre del. Det magnetiske felt, der skabes på denne måde, kan være 10-100 tusind gange stærkere end jordens magnetfelt på jordens overflade.

OPEM-diagrammet er vist i fig. 2. En række kondensatorlinser (kun den sidste er vist) fokuserer elektronstrålen på prøven. Normalt skaber førstnævnte et uforstørret billede af elektronkilden, mens sidstnævnte kontrollerer størrelsen af ​​det belyste område på prøven. Blænden på den sidste kondensatorlinse bestemmer strålebredden i objektets plan. Prøven placeres i magnetfeltet på en objektivlinse med høj optisk styrke - den vigtigste OPEM-linse, som bestemmer den maksimalt mulige opløsning af enheden. Et objektivs afvigelser begrænses af dens membran på samme måde som i et kamera eller et lysmikroskop. Objektivlinsen giver et forstørret billede af objektet (normalt med en forstørrelse på ca. 100); den ekstra forstørrelse introduceret af mellem- og projektionslinser varierer fra lidt mindre end 10 til lidt mere end 1000. Således er forstørrelsen, der kan opnås i moderne OPEM'er, fra mindre end 1000 til ELEKTRONISK MIKROSKOP1.000.000. (Ved en forstørrelse på en mio. gange vokser grapefrugten til jordens størrelse.) Genstanden, der undersøges, placeres normalt på et meget fint net, indsat i en speciel holder. Holderen kan bevæges mekanisk eller elektrisk jævnt op og ned og til venstre og højre.

Billede. Kontrasten i OPEM skyldes spredningen af ​​elektroner, når elektronstrålen passerer gennem prøven. Hvis prøven er tynd nok, så er andelen af ​​spredte elektroner lille. Når elektroner passerer gennem prøven, bliver nogle af dem spredt på grund af kollisioner med kernerne i prøvens atomer, andre på grund af kollisioner med atomernes elektroner, og atter andre passerer uden at undergå spredning. Graden af ​​spredning i et hvilket som helst område af prøven afhænger af tykkelsen af ​​prøven i dette område, dens tæthed og den gennemsnitlige atommasse (antal protoner) på et givet punkt. Elektroner, der forlader membranen med en vinkelafvigelse, der overstiger en vis grænse, kan ikke længere vende tilbage til strålen, der bærer billedet, og derfor kraftigt sprede områder med øget tæthed, øget tykkelse, placeringen af ​​tunge atomer vises i billedet som mørke zoner mod et lys baggrund. Sådan et billede kaldes lysfelt, fordi det omgivende felt er lettere end objektet i det. Men det er muligt at få det elektriske afbøjningssystem til kun at passere en eller anden af ​​de spredte elektroner ind i linsemembranen. Så ser prøven lys ud i det mørke felt. Et svagt spredningsobjekt er ofte mere praktisk at se i mørkefeltstilstand. Det endelige forstørrede elektroniske billede konverteres til et synligt ved hjælp af en selvlysende skærm, der lyser under påvirkning af elektronbombardement. Dette billede, normalt med lav kontrast, ses normalt gennem et kikkert lysmikroskop. Ved samme lysstyrke kan et sådant mikroskop med en forstørrelse på 10 skabe et billede på nethinden, der er 10 gange større, end når det observeres med det blotte øje. Nogle gange bruges en fosforskærm med en elektro-optisk konverter til at øge lysstyrken på et svagt billede. I dette tilfælde kan det endelige billede vises på en konventionel tv-skærm, som gør det muligt at optage det på videobånd. Videooptagelse bruges til at optage billeder, der ændrer sig over tid, for eksempel på grund af en kemisk reaktion. Oftest optages det endelige billede på fotografisk film eller fotografisk plade. En fotografisk plade giver normalt et skarpere billede end det, der observeres med det blotte øje eller optages på videobånd, da fotografiske materialer generelt registrerer elektroner mere effektivt. Derudover kan der optages 100 gange flere signaler pr. arealenhed af fotografisk film end pr. arealenhed af videobånd. Takket være dette kan billedet optaget på fotografisk film forstørres yderligere omkring 10 gange uden tab af klarhed.
Tilladelse. Elektronstråler har egenskaber svarende til lysstrålernes. Især har hver elektron en bestemt bølgelængde. Opløsningen af ​​en EM bestemmes af elektronernes effektive bølgelængde. Bølgelængden afhænger af elektronernes hastighed, og derfor af accelerationsspændingen; jo højere accelerationsspænding, jo højere hastighed har elektronerne og jo kortere bølgelængde, hvilket betyder, jo højere opløsning. En sådan væsentlig fordel ved EM i opløsning skyldes det faktum, at elektronernes bølgelængde er meget kortere end lysets bølgelængde. Men da elektroniske linser ikke fokuserer så godt som optiske linser (den numeriske blænde for en god elektronisk linse er kun 0,09, mens denne værdi for en god optisk linse når 0,95), er EM-opløsningen 50-100 elektronbølgelængder. Selv med så svage linser i et elektronmikroskop kan en opløsningsgrænse på ca. 0,17 nm, hvilket gør det muligt at skelne mellem individuelle atomer i krystaller. For at opnå en opløsning af denne rækkefølge kræves en meget omhyggelig instrumentstemning; der kræves især meget stabile strømforsyninger, og selve apparatet (som kan være ca. 2,5 m højt og veje flere tons) og dets ekstraudstyr kræver vibrationsfri installation.
RASTER ELEKTRONISK MIKROSKOP
SEM, som er blevet det vigtigste instrument for videnskabelig forskning, fungerer som et godt supplement til OPEM. SEM bruger elektroniske linser til at fokusere elektronstrålen til en meget lille plet. Du kan justere SEM, så pletdiameteren i den ikke overstiger 0,2 nm, men som regel er det enheder eller tiere af nanometer. Denne plet krydser kontinuerligt et bestemt område af prøven, svarende til en stråle, der krydser skærmen på et fjernsynsrør. Det elektriske signal, der stammer fra bombardementet af objektet med stråleelektronerne, bruges til at danne et billede på skærmen af ​​et tv-billedrør eller et katodestrålerør (CRT), hvis sweep er synkroniseret med elektronstråleafbøjningssystemet ( Fig. 3). Forstørrelse i dette tilfælde forstås som forholdet mellem størrelsen af ​​billedet på skærmen og størrelsen af ​​det område, der er dækket af strålen på prøven. Denne stigning er fra 10 til 10 mio.

Interaktionen mellem elektronerne i den fokuserede stråle med prøvens atomer kan ikke kun føre til deres spredning, som bruges til at opnå et billede i OPEM, men også til excitation af røntgenstråler, emission af synligt lys og emission af sekundære elektroner. Da SEM'en kun har fokuseringslinser foran prøven, giver den mulighed for at studere "tykke" prøver.
Reflekterende SEM. Reflekterende SEM er designet til at studere bulkprøver. Da kontrasten, der opstår ved registreringen af ​​reflekteret, dvs. tilbagespredte og sekundære elektroner, er hovedsageligt forbundet med indfaldsvinklen for elektroner på prøven, overfladestrukturen afsløres i billedet. (Intensiteten af ​​tilbagespredning og dybden, hvor den forekommer, afhænger af elektronenergien i den indfaldende stråle. Emissionen af ​​sekundære elektroner bestemmes hovedsageligt af prøvens overfladesammensætning og ledningsevne.) Begge disse signaler giver information om den generelle prøvens karakteristika. På grund af elektronstrålens lave konvergens er det muligt at udføre observationer med en meget større dybdeskarphed end når man arbejder med et lysmikroskop, og at opnå fremragende volumetriske mikrofotografier af overflader med et højt udviklet relief. Ved at registrere den røntgenstråling, som prøven udsender, er det muligt, udover dataene på relieffet, at få information om prøvens kemiske sammensætning i overfladelaget med en dybde på 0,001 mm. Materialets sammensætning på overfladen kan også bedømmes ud fra den målte energi, som visse elektroner udsendes med. Alle vanskelighederne ved at arbejde med SEM skyldes hovedsageligt dets registrerings- og elektroniske visualiseringssystemer. I en enhed med et komplet sæt af detektorer, sammen med alle SEM-funktioner, er en driftstilstand for en elektronsondemikroanalysator tilvejebragt.
Scanning transmission elektronmikroskop. Et scanning transmission elektronmikroskop (RPEM) er en speciel type SEM. Den er designet til tynde prøver, de samme som dem, der er undersøgt i OPEM. RPEM-kredsløbet adskiller sig fra kredsløbet i fig. 3 kun ved, at der ikke er nogen detektorer placeret over prøven. Da billedet er dannet af en rejsestråle (i stedet for en stråle, der belyser hele prøvens område), kræves der en højintensitetskilde af elektroner, så billedet kan optages inden for rimelig tid. RPEM i høj opløsning bruger feltemittere med høj lysstyrke. I en sådan elektronkilde genereres et meget stærkt elektrisk felt (ca. V / cm) nær overfladen af ​​en ætset wolframtråd med meget lille diameter. Dette felt trækker bogstaveligt talt milliarder af elektroner ud af ledningen uden nogen opvarmning. Lysstyrken af ​​en sådan kilde er næsten 10.000 gange den for en kilde med en opvarmet wolframtråd (se ovenfor), og elektronerne udsendt af den kan fokuseres til en stråle med en diameter på mindre end 1 nm. Selv stråler med en diameter tæt på 0,2 nm blev opnået. Autoelektroniske kilder kan kun fungere under ultrahøjvakuumforhold (ved tryk under Pa), hvor der helt ikke er nogen forurenende stoffer som kulbrinte og vanddampe, og det bliver muligt at opnå billeder i høj opløsning. Takket være sådanne ultrarene forhold er det muligt at studere processer og fænomener, der er utilgængelige for EM med konventionelle vakuumsystemer. Forskning i RPEM udføres på ultratynde prøver. Elektroner passerer gennem sådanne prøver med ringe eller ingen spredning. Elektroner spredt i vinkler på mere end et par grader uden deceleration registreres, idet de falder på en ringelektrode placeret under prøven (fig. 3). Signalet taget fra denne elektrode afhænger stærkt af atomantallet af atomer i det område, som elektronerne passerer igennem - tungere atomer spreder flere elektroner mod detektoren end lette. Hvis elektronstrålen er fokuseret til et punkt mindre end 0,5 nm i diameter, kan et billede af individuelle atomer opnås. I virkeligheden er det muligt i billedet opnået i RPEM at skelne individuelle atomer med en atommasse af jern (dvs. 26 eller mere). Elektroner, der ikke har undergået spredning i prøven, samt elektroner, der er blevet langsommere som følge af interaktion med prøven, passerer ind i hullet i ringdetektoren. En energianalysator placeret under denne detektor gør det muligt at adskille førstnævnte fra sidstnævnte. Ved at måle den energi, der går tabt af elektroner ved spredning, kan der opnås vigtig information om prøven. Energitabene forbundet med excitation af røntgenstråler eller udslagning af sekundære elektroner fra prøven gør det muligt at bedømme stoffets kemiske egenskaber i det område, hvorigennem elektronstrålen passerer.
RASTER TUNNEL MIKROSKOP
De ovenfor diskuterede EM'er bruger magnetiske linser til at fokusere elektroner. Dette afsnit er dedikeret til EM uden linser. Men før du går videre til et scanning tunneling mikroskop (RTM), vil det være nyttigt kort at dvæle ved to ældre typer af linseløse mikroskoper, hvor et projiceret skyggebillede dannes.
Auto-elektroniske og auto-ion-projektorer. Den autoelektroniske kilde brugt i RPEM er blevet brugt i skyggeprojektorer siden begyndelsen af ​​1950'erne. I en feltprojektor accelereres elektroner, der udsendes af feltemission fra en spids med meget lille diameter, mod en selvlysende skærm placeret et par centimeter fra spidsen. Som et resultat vises et projiceret billede af spidsens overflade og partikler placeret på denne overflade på skærmen med en stigning svarende til forholdet mellem skærmens radius og spidsens radius (ca.). Højere opløsning opnås i en feltionprojektor, hvor projektionen af ​​billedet udføres af heliumioner (eller nogle andre grundstoffer), hvis effektive bølgelængde er kortere end elektronernes. Dette gør det muligt at opnå billeder, der viser det sande arrangement af atomer i krystalgitteret af spidsmaterialet. Derfor bruges feltionprojektorer især til at studere krystalstrukturen og dens defekter i materialer, hvorfra sådanne spidser kan fremstilles.
Scanning tunneling mikroskop (RTM). Dette mikroskop bruger også en metalspids med lille diameter, der er kilden til elektroner. Et elektrisk felt genereres i mellemrummet mellem spidsen og prøveoverfladen. Antallet af elektroner trukket af feltet fra spidsen pr. tidsenhed (tunnelstrøm) afhænger af afstanden mellem spidsen og prøveoverfladen (i praksis er denne afstand mindre end 1 nm). Når spidsen bevæger sig langs overfladen, moduleres strømmen. Dette gør det muligt at opnå et billede forbundet med relieffet af prøveoverfladen. Hvis spidsen ender med et enkelt atom, er det muligt at danne et billede af overfladen, der passerer atom for atom. RTM'en kan kun fungere under den betingelse, at afstanden fra spidsen til overfladen er konstant, og spidsen kan flyttes med en nøjagtighed af atomare dimensioner. Vibration undertrykkes på grund af den stive konstruktion og lille størrelse af mikroskopet (ikke mere end en knytnæve), samt brugen af ​​flerlags gummistøddæmpere. Høj præcision leveres af piezoelektriske materialer, som forlænges og trækker sig sammen under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. Ved at anvende en spænding i størrelsesordenen 10-5 V er det muligt at ændre størrelsen af ​​sådanne materialer med 0,1 nm eller mindre. Dette gør det muligt, ved at fiksere spidsen på et element lavet af piezoelektrisk materiale, at bevæge det i tre indbyrdes vinkelrette retninger med en nøjagtighed af rækkefølgen af ​​atomare dimensioner.
ELEKTRONISK MIKROSKOPIPEKNIK
Der er næppe nogen forskningssektor inden for biologi og materialevidenskab, hvor transmissionselektronmikroskopi (TEM) ikke anvendes; dette skyldes succesen med prøveforberedelsesteknikken. Alle teknikker, der anvendes i elektronmikroskopi, er rettet mod at opnå en ekstremt tynd prøve og sikre maksimal kontrast mellem den og substratet, som den har brug for som støtte. Den grundlæggende teknik er designet til prøver 2-200 nm tykke, understøttet af tynde plast- eller carbonfilm, som placeres på et gitter med en maskestørrelse på ca. 0,05 mm. (En passende prøve, uanset hvordan den blev opnået, behandles på en sådan måde, at intensiteten af ​​elektronspredning på det undersøgte objekt øges.) Hvis kontrasten er høj nok, kan observatørens øje skelne detaljerne uden at belaste detaljerne. placeret med en afstand på 0,1-0,2 mm fra hinanden. For at detaljerne, adskilt på prøven med en afstand på 1 nm, skal kunne skelnes i billedet skabt af elektronmikroskopet, er en total forstørrelse på omkring 100-200 tusind nødvendig. De bedste mikroskoper kan skabe et billede af prøven på en fotografisk plade med en sådan stigning, men samtidig for lille areal vises. Normalt tages et mikrofotografi med en lavere forstørrelse og derefter forstørret fotografisk. Den fotografiske plade giver mulighed for en længde på 10 cm ca. 10.000 linjer. Hvis hver linje på prøven svarer til en bestemt struktur med en længde på 0,5 nm, så for at registrere en sådan struktur kræves en stigning på mindst 20.000, mens der ved hjælp af SEM og RPEM, hvor billedet optages af et elektronisk system og udfoldet på en fjernsynsskærm, kun OK. 1000 linjer. Når du bruger en tv-skærm, er den mindst nødvendige forstørrelse omkring 10 gange større end ved fotografering.
Biologiske præparater. Elektronmikroskopi er meget udbredt i biologisk og medicinsk forskning. Metoder til fiksering, indlejring og opnåelse af tynde vævssnit til forskning i OPEM og RPEM og fikseringsmetoder til undersøgelse af volumetriske prøver i SEM er blevet udviklet. Disse teknikker gør det muligt at undersøge organiseringen af ​​celler på makromolekylært niveau. Elektronmikroskopi afslørede cellekomponenter og strukturelle detaljer af membraner, mitokondrier, endoplasmatisk retikulum, ribosomer og mange andre organeller, der udgør cellen. Prøven fikseres først med glutaraldehyd eller andre fikseringsmidler og derefter dehydreres og dækkes med plast. Kryofikseringsmetoder (fiksering ved meget lave - kryogene - temperaturer) gør det muligt at bevare strukturen og sammensætningen uden brug af kemiske fikseringsmidler. Derudover tillader kryogene metoder at få billeder af frosne biologiske prøver uden dehydrering. Ved hjælp af ultramikrotomer med klinger af poleret diamant eller skåret glas kan vævssnit med en tykkelse på 30-40 nm skæres. De monterede histologiske præparater kan farves med forbindelser af tungmetaller (bly, osmium, guld, wolfram, uran) for at øge kontrasten af ​​individuelle komponenter eller strukturer.

Biologisk forskning er blevet udvidet til mikroorganismer, især vira, som ikke opløses af lysmikroskoper. TEM gjorde det muligt at afsløre for eksempel strukturerne af bakteriofager og placeringen af ​​underenheder i proteinkapperne af vira. Derudover har positive og negative farvningsmetoder afsløret en struktur med underenheder i en række andre vigtige biologiske mikrostrukturer. Metoder til at øge kontrasten af ​​nukleinsyrer gjorde det muligt at observere enkelt- og dobbeltstrenget DNA. Disse lange lineære molekyler spredes i et lag af basisk protein og påføres en tynd film. Et meget tyndt lag tungmetal påføres derefter prøven ved vakuumaflejring. Dette lag af tungmetal "sætter af" prøven, på grund af hvilken sidstnævnte, når den observeres i OPEM eller RPEM, ser ud som om den er oplyst fra den side, hvorfra metallet blev aflejret. Hvis du roterer prøven under sprøjtning, samler metallet sig jævnt rundt om partiklerne fra alle sider (som en snebold).
Ikke-biologiske materialer. TEM bruges i materialeforskning til at studere tynde krystaller og grænser mellem forskellige materialer. For at få et billede i høj opløsning af grænsefladen fyldes prøven med plast, prøven skæres vinkelret på kanten og fortyndes derefter, så kanten er synlig på den skarpe kant. Krystalgitteret spreder kraftigt elektroner i bestemte retninger, hvilket giver et diffraktionsmønster. Billedet af en krystallinsk prøve bestemmes i høj grad af dette billede; kontrast afhænger stærkt af orienteringen, tykkelsen og perfektionen af ​​krystalgitteret. Kontrastændringer i billedet giver dig mulighed for at studere krystalgitteret og dets ufuldkommenheder på en skala af atomare dimensioner. De oplysninger, der er opnået i dette tilfælde, supplerer den, der er givet ved røntgenanalyse af bulkprøver, da EM gør det muligt direkte at se dislokationer, stablingsfejl og korngrænser i alle detaljer. Derudover kan elektrondiffraktionsmønstre registreres i EM, og diffraktionsmønstre fra udvalgte områder af prøven kan observeres. Hvis linseblænden justeres, så kun én diffrakteret og ikke-spredt central stråle passerer gennem den, så er det muligt at få et billede af et bestemt system af krystalplaner, som giver denne diffrakterede stråle. Moderne enheder tillader opløsning af gitterperioder på 0,1 nm. Krystaller kan også studeres ved mørkfeltsbilledmetoden, hvor den centrale stråle overlappes, så billedet dannes af en eller flere diffrakterede stråler. Alle disse metoder gav vigtige oplysninger om strukturen af ​​mange materialer og tydeliggjorde markant krystallernes fysik og deres egenskaber. For eksempel gjorde analysen af ​​TEM-billeder af krystalgitteret af tynde små kvasikrystaller i kombination med analysen af ​​deres elektrondiffraktionsmønstre det muligt i 1985 at opdage materialer med femteordens symmetri.
Højspændingsmikroskopi. På nuværende tidspunkt producerer industrien højspændingsversioner af OPEM og RPEM med accelererende spændinger fra 300 til 400 kV. Sådanne mikroskoper har en højere gennemtrængningsevne end lavspændingsenheder og er næsten på niveau med de 1 million volt mikroskoper, der blev bygget tidligere. Moderne højspændingsmikroskoper er ret kompakte og kan installeres i et almindeligt laboratorierum. Deres øgede gennemtrængende kraft viser sig at være en meget værdifuld egenskab, når man studerer defekter i tykkere krystaller, især dem, hvorfra det er umuligt at lave tynde prøver. I biologien gør deres høje gennemtrængende evne det muligt at undersøge hele celler uden at skære i dem. Derudover kan disse mikroskoper bruges til at opnå volumetriske billeder af tykke genstande.
Lavspændingsmikroskopi. SEM'er produceres også med en accelererende spænding på kun et par hundrede volt. Selv ved så lave spændinger er elektronbølgelængden mindre end 0,1 nm, så den rumlige opløsning her er også begrænset af de magnetiske linsers aberrationer. Men eftersom elektroner med så lav energi trænger lavt ind under overfladen af ​​prøven, kommer næsten alle elektronerne involveret i billeddannelse fra et område meget tæt på overfladen, hvorved opløsningen af ​​overfladerelieffet forbedres. Ved hjælp af lavspændings-SEM'er blev billeder opnået på faste overflader af genstande mindre end 1 nm i størrelse.
Strålingsskader. Da elektroner er ioniserende stråling, udsættes prøven i EM konstant for det. (Som et resultat af denne eksponering genereres sekundære elektroner, som bruges i SEM.) Derfor er prøver altid udsat for strålingsskader. En typisk strålingsdosis absorberet af en tynd prøve under optagelsen af ​​et mikrofotografi i OPEM svarer omtrent til den energi, der ville være tilstrækkelig til fuldstændig fordampning af koldt vand fra en dam 4 m dyb med et overfladeareal på 1 ha. For at reducere strålingsskader på prøven er det nødvendigt at bruge forskellige metoder til dens forberedelse: farvning, hældning, frysning. Derudover er det muligt at registrere et billede ved elektrondoser, der er 100-1000 gange lavere end ved standardteknikken, og derefter forbedre det ved computer billedbehandlingsmetoder.
HISTORISK REFERENCE
Historien om skabelsen af ​​et elektronmikroskop er et vidunderligt eksempel på, hvordan selvstændigt udviklende videnskabs- og teknologiområder ved at udveksle information og forene indsatser kan skabe et kraftfuldt nyt værktøj til videnskabelig forskning. Toppen af ​​klassisk fysik var teorien om det elektromagnetiske felt, som forklarede udbredelsen af ​​lys, udseendet af elektriske og magnetiske felter, bevægelsen af ​​ladede partikler i disse felter som udbredelsen af ​​elektromagnetiske bølger. Bølgeoptik tydeliggjorde fænomenet diffraktion, mekanismen for billeddannelse og spillet af faktorer, der bestemmer opløsningen i et lysmikroskop. Vi skylder vores succes inden for teoretisk og eksperimentel fysik til opdagelsen af ​​elektronen med dens specifikke egenskaber. Disse adskilte og tilsyneladende uafhængige udviklingsveje førte til skabelsen af ​​grundlaget for elektronisk optik, hvor en af ​​de vigtigste anvendelser var opfindelsen af ​​EM i 1930'erne. En direkte hentydning til en sådan mulighed kan betragtes som hypotesen om elektronens bølgenatur, fremsat i 1924 af Louis de Broglie og eksperimentelt bekræftet i 1927 af K. Davisson og L. Jermer i USA og J. Thomson i England . Der blev således foreslået en analogi, der gjorde det muligt at konstruere en EM efter bølgeoptikkens love. H. Bush opdagede, at elektroniske billeder kan dannes ved hjælp af elektriske og magnetiske felter. I de første to årtier af det 20. århundrede. de nødvendige tekniske forudsætninger blev også skabt. Industrielle laboratorier, der arbejder på et katodestråleoscilloskop, gav vakuumteknologi, stabile kilder til højspænding og strøm, gode elektronemittere. I 1931 indgav R. Rudenberg en patentansøgning for et transmissionselektronmikroskop, og i 1932 byggede M. Knoll og E. Ruska det første sådanne mikroskop ved at bruge magnetiske linser til at fokusere elektroner. Denne enhed var forløberen for den moderne OPEM. (Ruska blev belønnet for sit arbejde ved at blive nobelprismodtager i fysik for 1986.) I 1938 byggede Ruska og B. von Borris en prototype af en industriel OPEM til Siemens-Halske i Tyskland; denne enhed opnåede til sidst en opløsning på 100 nm. Et par år senere byggede A. Prebus og J. Hiller den første højopløselige OPEM ved University of Toronto (Canada). OPEM's brede muligheder blev tydelige næsten øjeblikkeligt. Dens industrielle produktion blev startet samtidigt af Siemens-Halske i Tyskland og RCA i USA. I slutningen af ​​1940'erne begyndte andre virksomheder at producere sådanne enheder. SEM i sin nuværende form blev opfundet i 1952 af Charles Otley. Ganske vist blev foreløbige versioner af en sådan enhed bygget af Knoll i Tyskland i 1930'erne og Zworykin med ansatte i RCA-selskabet i 1940'erne, men kun Otley's enhed var i stand til at tjene som grundlag for en række tekniske forbedringer, der kulminerede i introduktion af en industriel version af SEM i produktion i midten af ​​1960'erne. Kredsen af ​​forbrugere af en sådan ret letanvendelig enhed med et tredimensionelt billede og et elektronisk udgangssignal er udvidet med eksplosionens hurtighed. I øjeblikket er der et dusin industrielle producenter af SEM'er på tre kontinenter og titusindvis af sådanne enheder, der bruges i laboratorier rundt om i verden. I 1960'erne blev ultrahøjspændingsmikroskoper udviklet til undersøgelse af tykkere prøver. , hvor en enhed med en accelererende spænding på 3,5 millioner volt blev sat i drift i 1970. RTM blev opfundet af G. Binnig og G. Rohrer i Zürich i 1979. til skabelsen af ​​RTM Binnig og Rohrer (samtidigt med Ruska) modtog Nobelprisen i fysik.
se også Indholdsfortegnelse for emnet "Elektronmikroskopi. Membran.":

Elektronmikroskoper dukkede op i 1930'erne og blev udbredt i 1950'erne.

Figuren viser en moderne transmission (gennemskinnelig) elektronmikroskop, og figuren viser elektronstrålens bane i dette mikroskop. I et transmissionselektronmikroskop passerer elektroner gennem prøven, før de danner et billede. Et sådant elektronmikroskop blev først konstrueret.

Elektronmikroskop vendt på hovedet i forhold til lysmikroskopet. Stråling påføres prøven fra toppen, og billedet dannes i bunden. Funktionsprincippet for et elektronmikroskop er stort set det samme som et lysmikroskop. Elektronstrålen rettes af kondensatorlinser mod prøven, og det resulterende billede forstørres derefter med andre linser.

Tabellen opsummerer nogle af lighederne og forskellene mellem lys og elektronmikroskoper... Øverst i elektronmikroskopets søjle er en elektronkilde - en wolframglødetråd, der ligner den, der findes i en konventionel pære. En højspænding (for eksempel 50.000 V) påføres det, og glødetråden udsender en strøm af elektroner. Elektromagneter fokuserer elektronstrålen.

Der skabes et dybt vakuum inde i søjlen. Dette er nødvendigt for at minimere spredning. elektroner på grund af deres kollision med luftpartikler. Til undersøgelse i et elektronmikroskop kan kun meget tynde snit eller partikler bruges, da elektronstrålen næsten fuldstændigt absorberes af større genstande. Dele af objektet med en relativt højere tæthed absorberer elektroner og fremstår derfor mørkere i det resulterende billede. Tungmetaller som bly og uran bruges til at farve prøven for at øge kontrasten.

Elektroner er usynlige for det menneskelige øje, så de er rettet mod et fluorescerende, som gengiver et synligt (sort-hvidt) billede. For at tage et billede fjernes skærmen, og elektroner dirigeres direkte på filmen. Et fotografi taget i et elektronmikroskop kaldes et elektronmikroskop.

Fordelen ved et elektronmikroskop:
1) høj opløsning (0,5 nm i praksis)

Ulemper ved et elektronmikroskop:
1) materialet, der er forberedt til forskning, skal være dødt, da det under observationsprocessen er i et vakuum;
2) det er svært at være sikker på, at genstanden gengiver en levende celle i alle dens detaljer, da fiksering og farvning af materialet under undersøgelse kan ændre eller beskadige dets struktur;
3) selve elektronmikroskopet og dets vedligeholdelse er dyrt;
4) forberedelse af materiale til arbejde med et mikroskop er tidskrævende og kræver højt kvalificeret personale;
5) prøverne, der undersøges, ødelægges gradvist under påvirkning af elektronstrålen. Derfor, hvis en detaljeret undersøgelse af en prøve er påkrævet, er det nødvendigt at fotografere den.

Udtrykket "mikroskop" har græske rødder. Det består af to ord, som i oversættelse betyder "lille" og "se". Mikroskopets hovedrolle er dets brug, når man undersøger meget små genstande. På samme tid giver denne enhed dig mulighed for at bestemme størrelsen og formen, strukturen og andre egenskaber af kroppe, der er usynlige for det blotte øje.

skabelseshistorie

Der er ingen nøjagtige oplysninger om, hvem der var opfinderen af ​​mikroskopet i historien. Ifølge nogle rapporter blev den designet i 1590 af far og søn til Janssen, en brillemager. En anden udfordrer til titlen som opfinder af mikroskopet er Galileo Galilei. I 1609 præsenterede denne videnskabsmand en enhed med konkave og konvekse linser for offentligheden på Accademia dei Lincei.

Gennem årene har systemet til visning af mikroskopiske objekter udviklet sig og forbedret. Et stort skridt i dens historie var opfindelsen af ​​en enkel, akromatisk justerbar to-linse enhed. Dette system blev introduceret af hollænderen Christian Huygens i slutningen af ​​1600-tallet. Denne opfinders okularer er stadig i produktion i dag. Deres eneste ulempe er den utilstrækkelige bredde af synsfeltet. Derudover har Huygens' okularer, sammenlignet med designet af moderne instrumenter, en ubekvem position for øjnene.

Producenten af ​​sådanne enheder Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723) ydede et særligt bidrag til mikroskopets historie. Det var ham, der henledte biologernes opmærksomhed på denne enhed. Leeuwenhoek lavede små produkter udstyret med en, men meget stærk linse. Det var ubelejligt at bruge sådanne enheder, men de duplikerede ikke de billedfejl, der var til stede i sammensatte mikroskoper. Opfinderne var først i stand til at rette op på denne mangel efter 150 år. Sammen med udviklingen af ​​optik er billedkvaliteten i sammensatte enheder blevet forbedret.

Forbedringen af ​​mikroskoper fortsætter i dag. Så i 2006 udviklede tyske forskere, der arbejdede ved Institut for Biofysisk Kemi, Mariano Bossi og Stefan Helle, et avanceret optisk mikroskop. På grund af sin evne til at observere objekter så små som 10 nm og tredimensionelle højkvalitets 3D-billeder, blev enheden kaldt et nanoskop.

Klassificering af mikroskoper

I øjeblikket er der en bred vifte af instrumenter designet til at se små genstande. De er grupperet ud fra forskellige parametre. Dette kan være formålet med mikroskopet eller den accepterede belysningsmetode, strukturen brugt til det optiske design osv.

Men som regel klassificeres hovedtyperne af mikroskoper efter størrelsen af ​​opløsningen af ​​mikropartiklerne, der kan ses med dette system. Ifølge denne opdeling er mikroskoper:
- optisk (lys);
- elektronisk;
- røntgen;
- scanningssonde.

De mest udbredte er lysmikroskoper. Der er et bredt udvalg af dem i optikbutikker. Ved hjælp af sådanne enheder løses hovedopgaverne for undersøgelsen af ​​et bestemt objekt. Alle andre typer mikroskoper er klassificeret som specialiserede. Deres brug er som regel lavet under laboratorieforhold.

Hver af de ovennævnte typer enheder har sin egen underart, der bruges i et bestemt område. Derudover er det i dag muligt at købe et skolemikroskop (eller pædagogisk), som er et entry-level system. Professionelle enheder tilbydes også til forbrugerne.

Ansøgning

Hvad er et mikroskop til? Det menneskelige øje, som er et særligt optisk system af biologisk type, har et vist opløsningsniveau. Der er med andre ord den mindste afstand mellem de observerede objekter, når de stadig kan skelnes. For et normalt øje er denne opløsning inden for 0,176 mm. Men størrelsen af ​​de fleste dyre- og planteceller, mikroorganismer, krystaller, mikrostruktur af legeringer, metaller osv. er meget mindre end denne værdi. Hvordan kan man studere og observere sådanne genstande? Det er her forskellige typer mikroskoper kommer for at hjælpe folk. For eksempel gør optiske enheder det muligt at skelne strukturer, hvor afstanden mellem elementerne er mindst 0,20 μm.

Hvordan fungerer et mikroskop?

Enheden, ved hjælp af hvilken undersøgelsen af ​​mikroskopiske genstande bliver tilgængelig for det menneskelige øje, har to hovedelementer. Disse er linsen og okularet. Disse dele af mikroskopet er fastgjort i et bevægeligt rør, placeret på en metalbase. Der er også en emnetabel på den.

Moderne typer mikroskoper er normalt udstyret med et belysningssystem. Dette er især en kondensator med irismembran. Obligatorisk komplet sæt forstørrelsesanordninger er mikro- og makroskruer, som bruges til at justere skarpheden. Designet af mikroskoper sørger også for tilstedeværelsen af ​​et system, der styrer kondensatorens position.

I specialiserede, mere komplekse mikroskoper bruges ofte andre yderligere systemer og enheder.

Linser

Jeg vil gerne starte beskrivelsen af ​​mikroskopet med en historie om en af ​​dets hoveddele, det vil sige fra objektivet. De er et komplekst optisk system, der øger størrelsen af ​​det pågældende objekt i billedplanet. Linsernes design omfatter et helt system af ikke kun enkelte linser, men også to eller tre linser limet sammen.

Kompleksiteten af ​​et sådant optisk-mekanisk design afhænger af rækken af ​​de opgaver, der skal løses af denne eller den enhed. For eksempel giver det mest sofistikerede mikroskop op til fjorten linser.

Linsen indeholder den forreste del og de systemer, der følger den. Hvad er grundlaget for at skabe et billede af den ønskede kvalitet, samt bestemme driftstilstanden? Dette er frontlinsen eller deres system. Efterfølgende objektivdele er nødvendige for at opnå den nødvendige forstørrelse, brændvidde og billedkvalitet. Disse funktioner er dog kun mulige i kombination med en frontlinse. Det er værd at nævne, at designet af den efterfølgende del påvirker længden af ​​røret og højden af ​​enhedens linse.

Okularer

Disse dele af mikroskopet er et optisk system designet til at bygge det nødvendige mikroskopiske billede på overfladen af ​​nethinden i observatørens øjne. Okularerne inkluderer to linsegrupper. Den, der er tættest på forskerens øje, kaldes øjet, og den fjerneste kaldes feltet (med dens hjælp bygger linsen et billede af objektet, der undersøges).

Belysningssystem

Mikroskopet har en kompleks struktur af membraner, spejle og linser. Med dens hjælp tilvejebringes en ensartet belysning af det undersøgte objekt. I de allerførste mikroskoper blev denne funktion udført. Efterhånden som de optiske instrumenter blev forbedret, begyndte de først at bruge flade og derefter konkave spejle.

Ved hjælp af sådanne enkle detaljer blev strålerne fra solen eller lamperne rettet mod genstanden for undersøgelsen. De moderne mikroskoper er mere perfekte. Den består af en kondensator og en opsamler.

Emne tabel

Mikroskopiske prøver, der skal undersøges, placeres på en flad overflade. Dette er emnetabellen. Forskellige typer mikroskoper kan have en given overflade, designet på en sådan måde, at undersøgelsesobjektet vil rotere i observatøren horisontalt, lodret eller i en bestemt vinkel.

Driftsprincip

I den første optiske enhed producerede et linsesystem et omvendt billede af mikroobjekter. Dette gjorde det muligt at skelne stoffets struktur og de mindste detaljer, der var genstand for undersøgelse. Funktionsprincippet for et lysmikroskop i dag ligner princippet for et ildfast teleskop. I denne enhed brydes lyset, når det passerer gennem glasdelen.

Hvordan forstørrer moderne lysmikroskoper? Efter en stråle af lysstråler kommer ind i enheden, omdannes de til en parallel strøm. Først da sker lysbrydningen i okularet, hvorved billedet af mikroskopiske genstande øges. Yderligere kommer denne information i den form, der er nødvendig for observatøren i sin

Undertyper af lysmikroskoper

Moderne klassificerer:

1. I henhold til kompleksitetsklassen for et forsknings-, arbejds- og skolemikroskop.
2. Efter anvendelsesområdet for kirurgiske, biologiske og tekniske.
3. Efter typer af mikroskopi for enheder af reflekteret og transmitteret lys, fasekontakt, luminescens og polarisering.
4. I lysstrømmens retning til omvendte og lige linjer.

Elektronmikroskoper

Med tiden er enheden designet til at undersøge mikroskopiske genstande blevet mere og mere perfekt. Sådanne typer mikroskoper dukkede op, hvor et helt andet driftsprincip blev brugt, som ikke var afhængigt af lysets brydning. I processen med at bruge de nyeste typer enheder er elektroner involveret. Sådanne systemer giver dig mulighed for at se så små individuelle dele af stof, at lysstråler simpelthen flyder rundt om dem.

Hvad er et elektronmikroskop til? Det bruges til at studere strukturen af ​​celler på det molekylære og subcellulære niveau. Sådanne enheder bruges også til at studere vira.

Elektronmikroskoper enhed

Hvad er grundlaget for arbejdet med de nyeste instrumenter til at se mikroskopiske objekter? Hvordan adskiller et elektronmikroskop sig fra et let? Er der nogen ligheder mellem dem?

Funktionsprincippet for et elektronmikroskop er baseret på de egenskaber, som elektriske og magnetiske felter har. Deres rotationssymmetri er i stand til at give en fokuseringseffekt på elektronstråler. Ud fra dette kan man give et svar på spørgsmålet: "Hvordan adskiller et elektronmikroskop sig fra et let?" I det, i modsætning til en optisk enhed, er der ingen linser. Deres rolle spilles af passende beregnede magnetiske og elektriske felter. De er skabt af vindinger af spoler, gennem hvilke strøm passerer. I dette tilfælde virker sådanne felter på samme måde. Når strømstyrken stiger eller falder, ændres enhedens brændvidde.

Hvad angår det skematiske diagram, ligner det i et elektronmikroskop det for en lysanordning. Den eneste forskel er, at de optiske elementer er erstattet af lignende elektriske.

Forstørrelsen af ​​et objekt i elektronmikroskoper opstår på grund af brydningsprocessen af ​​en lysstråle, der passerer gennem det undersøgte objekt. I forskellige vinkler rammer strålerne objektivlinsens plan, hvor den første forstørrelse af prøven finder sted. Elektronerne rejser derefter til den mellemliggende linse. I den er der en jævn ændring i stigningen i objektets størrelse. Det endelige billede af testmaterialet leveres af projektionslinsen. Fra den falder billedet på den fluorescerende skærm.

Typer af elektronmikroskoper

Moderne arter omfatter:

1... TEM, eller transmissionselektronmikroskop. I denne opsætning dannes et billede af en meget tynd, op til 0,1 μm tyk genstand ved vekselvirkning af en elektronstråle med stoffet, der undersøges, og dets efterfølgende forstørrelse med magnetiske linser placeret i objektivet.
2... SEM, eller scanning elektronmikroskop. En sådan enhed gør det muligt at opnå et billede af overfladen af ​​et objekt med en høj opløsning af størrelsesordenen flere nanometer. Ved brug af yderligere metoder giver et sådant mikroskop information, der hjælper med at bestemme den kemiske sammensætning af de nærliggende lag.
3. Tunnel scanning elektronmikroskop eller STM. Ved hjælp af denne enhed måles aflastningen af ​​ledende overflader med høj rumlig opløsning. I processen med at arbejde med STM bringes en skarp metalnål til genstanden, der undersøges. I dette tilfælde opretholdes en afstand på kun nogle få ångstrøm. Yderligere påføres et lille potentiale på nålen, på grund af hvilket der opstår en tunnelstrøm. I dette tilfælde modtager observatøren et tredimensionelt billede af objektet, der undersøges.

Mikroskoper "Levenguk"

I 2002 dukkede et nyt firma op i Amerika, som var engageret i produktionen af ​​optiske instrumenter. Sortimentslisten over dets produkter omfatter mikroskoper, teleskoper og kikkerter. Alle disse enheder er kendetegnet ved høj billedkvalitet.

Virksomhedens hovedkontor og udviklingsafdeling er placeret i USA, i byen Fremond (Californien). Men hvad angår produktionsfaciliteterne, så ligger de i Kina. Takket være alt dette forsyner virksomheden markedet med avancerede produkter af høj kvalitet til en overkommelig pris.

Har du brug for et mikroskop? Levenhuk vil foreslå den nødvendige mulighed. Udvalget af virksomhedens optiske teknologi omfatter digitale og biologiske enheder til at forstørre det undersøgte objekt. Derudover tilbydes køberen designermodeller lavet i en række forskellige farver.

Levenhuk mikroskop har omfattende funktionalitet. For eksempel kan en entry-level uddannelsesenhed tilsluttes en computer, og den er også i stand til at videooptage igangværende forskning. Levenhuk D2L-modellen er udstyret med denne funktionalitet.

Virksomheden tilbyder biologiske mikroskoper på forskellige niveauer. Det er både simplere modeller og nye varer, der egner sig til professionelle.

Historien om oprettelsen af ​​et elektronmikroskop

I 1931 modtog R. Rudenberg patent på et transmissionselektronmikroskop, og i 1932 byggede M. Knoll og E. Ruska den første prototype af en moderne enhed. Dette værk af E. Ruski blev i 1986 tildelt Nobelprisen i fysik, som blev tildelt ham og opfinderne af scanningsondemikroskopet Gerd Karl Binnig og Heinrich Rohrer. Brugen af ​​et transmissionselektronmikroskop til videnskabelig forskning begyndte i slutningen af ​​1930'erne, og samtidig dukkede det første kommercielle instrument, bygget af Siemens, op.

I slutningen af ​​1930'erne - begyndelsen af ​​1940'erne dukkede de første scanningselektronmikroskoper op, der dannede et billede af et objekt, når en elektronsonde med lille tværsnit blev sekventielt flyttet hen over objektet. Den massive brug af disse instrumenter i videnskabelig forskning begyndte i 1960'erne, da de opnåede betydelig teknisk ekspertise.

Et væsentligt spring fremad (i 70'erne) i udviklingen var brugen af ​​Schottky-katoder og katoder med koldfeltemission i stedet for termioniske katoder, men deres brug kræver et meget større vakuum.

I slutningen af ​​90'erne og begyndelsen af ​​2000'erne øgede computeriseringen og brugen af ​​CCD-detektorer betydeligt stabiliteten og (relativt) brugervenlighed.

I det sidste årti er korrektorer af sfæriske og kromatiske aberrationer (som introducerer den vigtigste forvrængning i det resulterende billede) blevet brugt i moderne avancerede, men deres brug komplicerer nogle gange betydeligt brugen af ​​enheden.

Typer af elektronmikroskoper

Transmissionselektronmikroskopi

Skabelon: Sektion tom

Indledende billede af et elektronmikroskop. Et transmissionselektronmikroskop bruger en højenergielektronstråle til at danne et billede. Elektronstrålen skabes ved hjælp af en katode (wolfram, LaB 6, Schottky eller koldfeltemission). Den resulterende elektronstråle accelereres normalt til +200 keV (forskellige spændinger bruges fra 20 keV til 1 meV), fokuseret af et system af elektrostatiske linser og passerer gennem prøven, så en del af den passerer gennem spredning på prøven, og del ikke. Således bærer elektronstrålen, der passerer gennem prøven, information om strukturen af ​​prøven. Strålen passerer derefter gennem et system af forstørrelseslinser og danner et billede på en fluorescerende skærm (normalt zinksulfid), en fotografisk plade eller et CCD-kamera.

TEM-opløsning begrænses hovedsageligt af sfærisk aberration. Nogle moderne TEM'er har sfæriske aberrationskorrektorer.

De største ulemper ved TEM er behovet for en meget tynd prøve (i størrelsesordenen 100 nm) og ustabiliteten (nedbrydning) af prøverne under strålen.

Transmission raster (scanning) elektronmikroskopi (STEM)

Hovedartikel: Transmission scanning elektronmikroskop

En af typerne af transmissionselektronmikroskopi (TEM), men der er enheder, der udelukkende fungerer i STEM-tilstand. En elektronstråle føres gennem en relativt tynd prøve, men i modsætning til konventionel transmissionselektronmikroskopi fokuseres elektronstrålen til et punkt, der bevæger sig hen over prøven langs et raster.

Scanning (scanning) elektronmikroskopi

Det er baseret på tv-princippet om at scanne en tynd elektronstråle hen over prøveoverfladen.

Lavspændingselektronmikroskopi

Anvendelser af elektronmikroskoper

Halvledere og datalagring Redigering af kredsløb Metrologi 3D Defektanalyse Fejlanalyse Biologi og biologiske videnskaber Kryobiologi Protein lokalisering Elektronisk tomografi Celletomografi Kryo-elektronmikroskopi Toksikologi Biologisk produktion og overvågning af virusdownloads Partikelanalyse Farmaceutisk kvalitetskontrol 3D billeder af stoffer Virologi Forglasning

Videnskabelig undersøgelse Kvalificering af materialer Forberedelse af materialer og prøver Oprettelse af nanoprototyper Nanometri Test og karakterisering af enheder Undersøgelser af metallers mikrostruktur Industri Billedbehandling i høj opløsning Fjernelse af mikrokarakteristika 2D og 3D Makroprøver til nanometrisk metrologi Påvisning og fjernelse af partikelparametre Direkte bjælkekonstruktion Eksperimenter med dynamiske materialer Prøveforberedelse Retsmedicinsk undersøgelse Udvinding og analyse af mineraler Kemi / Petrokemi

Verdens største producenter af elektronmikroskoper

se også

Noter (rediger)

Links

• Top 15 elektronmikroskopbilleder fra 2011 Billederne på det anbefalede websted er tilfældigt farvede og har kunstnerisk snarere end videnskabelig værdi (elektronmikroskoper producerer sort-hvide billeder i stedet for farve).

Wikimedia Foundation. 2010.

Se, hvad "elektronmikroskop" er i andre ordbøger:

En enhed til at observere og fotografere et multipliceret (op til 106 gange) forstørret billede af et objekt, hvor i stedet for lysstråler, bruges elektronstråler, der accelereres til høje energier (30 1000 keV og mere) i et dybt vakuum. Fysisk... Fysisk encyklopædi

En enhed til at observere og fotografere flere (op til 106 gange) forstørrede billeder af objekter, hvor i stedet for lysstråler, bruges elektronstråler accelereret til høje energier (30-100 keV og mere) i et dybt vakuum. Fysisk ... ... Fysisk encyklopædi

Elektronmikroskop- (ordning). ELEKTRONISK MIKROSKOP, en elektro-optisk vakuumenhed til at observere og fotografere flere (op til 106 gange) forstørrede billeder af objekter opnået ved hjælp af elektronstråler accelereret til høje energier. ... ... Illustreret encyklopædisk ordbog

ELEKTRONISK MIKROSKOP, MIKROSKOP, som "belyser" det undersøgte objekt med en strøm af elektroner. I stedet for konventionelle linser indeholder den magneter, der fokuserer elektronstrålen. Denne enhed giver dig mulighed for at se objekter af meget små størrelser, fordi ... ... Videnskabelig og teknisk encyklopædisk ordbog

At studere nanoobjekter med opløsning af optiske mikroskoper ( selv ved hjælp af ultraviolet) er tydeligvis ikke nok. I denne henseende i 1930'erne. ideen opstod om at bruge elektroner i stedet for lys, hvis bølgelængde, som vi ved fra kvantefysikken, er hundredvis af gange kortere end fotonernes.

Som du ved, er vores vision baseret på dannelsen af ​​et billede af et objekt på øjets nethinde af lysbølger reflekteret fra dette objekt. Hvis lyset, før det kommer ind i øjet, passerer gennem det optiske system mikroskop, ser vi et forstørret billede. I dette tilfælde styres lysstrålernes forløb dygtigt af linserne, der udgør enhedens objektiv og okular.

Men hvordan kan du få et billede af et objekt, og med en meget højere opløsning, ved at bruge ikke lysstråling, men en strøm af elektroner? Med andre ord, hvordan er det muligt at se objekter baseret på brugen af ​​partikler, ikke bølger?

Svaret er meget enkelt. Det er kendt, at elektronernes bane og hastighed er væsentligt påvirket af eksterne elektromagnetiske felter, ved hjælp af hvilke det er muligt effektivt at kontrollere elektronernes bevægelse.

Videnskaben om elektronernes bevægelse i elektromagnetiske felter og beregningen af ​​enheder, der danner de nødvendige felter, kaldes elektronisk optik.

Et elektronisk billede dannes af elektriske og magnetiske felter på nogenlunde samme måde, som et lysbillede dannes af optiske linser. Derfor kaldes enheder til fokusering og spredning af en elektronstråle i et elektronmikroskop " elektroniske linser”.

Elektronisk linse. Vindingerne af spoletrådene, som strømmen løber igennem, fokuserer elektronstrålen på samme måde, som en glaslinse fokuserer lysstrålen.

Spolens magnetfelt fungerer som en konvergerende eller diffuserende linse. For at koncentrere magnetfeltet lukkes spolen med en magnetisk " rustning»Lavet af en speciel nikkel-kobolt-legering, der kun efterlader et snævert hul i interiøret. Magnetfeltet skabt på denne måde kan være 10-100 tusind gange stærkere end Jordens magnetfelt!

Desværre kan vores øjne ikke direkte opfatte elektronstråler. Derfor bruges de til " tegning”Billeder på fluorescerende skærme (som lyser, når elektroner rammer). Forresten ligger det samme princip til grund for driften af ​​monitorer og oscillografer.

Der er mange forskellige typer af elektronmikroskoper, blandt hvilke det mest populære er scanningselektronmikroskopet (SEM). Vi får et forenklet diagram af det, hvis vi placerer objektet, der undersøges, inde i katodestrålerøret på et almindeligt tv mellem skærmen og elektronkilden.

I en sådan mikroskop en tynd stråle af elektroner (strålediameter ca. 10 nm) løber rundt (som om den scanner) prøven langs vandrette linjer, punkt for punkt, og transmitterer synkront signalet til kineskopet. Hele processen ligner betjeningen af ​​et tv under sweep-processen. Kilden til elektroner er et metal (normalt wolfram), hvorfra elektroner udsendes som følge af termionemission ved opvarmning.

Skema for drift af et scanningselektronmikroskop

Termionisk emission- udgangen af ​​elektroner fra overfladen af ​​lederne. Antallet af udsendte elektroner er lille ved T = 300 K og vokser eksponentielt med stigende temperatur.

Når elektroner passerer gennem prøven, spredes nogle af dem på grund af kollisioner med kernerne i prøvens atomer, andre på grund af kollisioner med atomernes elektroner, og atter andre passerer gennem den. I nogle tilfælde udsendes sekundære elektroner, induceres røntgenstråler osv. Alle disse processer er registreret af special detektorer og i en transformeret form vises på skærmen, hvilket skaber et forstørret billede af objektet under undersøgelse.

Forstørrelse i dette tilfælde forstås som forholdet mellem størrelsen af ​​billedet på skærmen og størrelsen af ​​det område, der er dækket af strålen på prøven. På grund af det faktum, at en elektrons bølgelængde er størrelsesordener kortere end en fotons, kan denne stigning i moderne SEM nå op på 10 millioner15, svarende til en opløsning på få nanometer, hvilket gør det muligt at visualisere individuelle atomer.

Den største ulempe elektronmikroskopi- behovet for at arbejde i fuldt vakuum, fordi tilstedeværelsen af ​​enhver gas inde i mikroskopkammeret kan føre til ionisering af dets atomer og væsentligt forvrænge resultaterne. Derudover har elektroner en ødelæggende effekt på biologiske objekter, hvilket gør dem uanvendelige til forskning inden for mange områder af bioteknologi.

skabelseshistorie elektronmikroskop Er et bemærkelsesværdigt eksempel på præstation baseret på en tværfaglig tilgang, når uafhængigt at udvikle områder inden for videnskab og teknologi, forenet, skabte et kraftfuldt nyt værktøj til videnskabelig forskning.

Toppen af ​​klassisk fysik var teorien om det elektromagnetiske felt, som forklarede udbredelsen af ​​lys, elektricitet og magnetisme som udbredelsen af ​​elektromagnetiske bølger. Bølgeoptik forklarede fænomenet diffraktion, billeddannelsesmekanismen og spillet af faktorer, der bestemmer opløsningen i et lysmikroskop. Succes kvantefysik vi skylder opdagelsen af ​​elektronen med dens specifikke corpuscular-bølge egenskaber. Disse adskilte og tilsyneladende uafhængige udviklingsveje førte til skabelsen af ​​elektronisk optik, hvor en af ​​de vigtigste opfindelser i 1930'erne var elektronmikroskopet.

Men det hvilede forskerne heller ikke på. Bølgelængden af ​​en elektron accelereret af et elektrisk felt er flere nanometer. Dette er godt, hvis vi vil se et molekyle eller endda et atomgitter. Men hvordan ser man ind i atomet? Hvordan er en kemisk binding? Hvordan ser processen med en enkelt kemisk reaktion ud? Til dette udvikler forskere i forskellige lande i dag neutronmikroskoper.

Neutroner findes normalt i atomkerner sammen med protoner og har næsten 2000 gange massen af ​​en elektron. De, der ikke har glemt de Broglies formel fra kvantekapitlet, vil straks indse, at neutronens bølgelængde er lige så mange gange mindre, det vil sige, at den er piometer i tusindedele af en nanometer! Så vil atomet fremstå for forskerne ikke som en vag plet, men i al sin herlighed.

Neutron mikroskop har mange fordele - især neutroner reflekterer brintatomer godt og trænger let igennem tykke lag af prøver. Det er dog meget svært at bygge det: neutroner har ikke en elektrisk ladning, derfor ignorerer de roligt magnetiske og elektriske felter og stræber efter at undslippe sensorerne. Desuden er det ikke så let at fordrive store hulkende neutroner fra atomer. Derfor er de første prototyper af et neutronmikroskop i dag stadig meget langt fra at være perfekte.