Etterbehandling. Beslag. Reparere. Montering. Valg. Blenderåpning
ELEKTRON MIKROSKOP
en enhet som lar deg få et sterkt forstørret bilde av objekter ved å bruke elektroner til å belyse dem. Et elektronmikroskop (EM) gjør det mulig å se detaljer som er for små til å kunne løses opp av et lys (optisk) mikroskop. EM er et av de viktigste instrumentene for grunnleggende vitenskapelig forskning på materiens struktur, spesielt innen vitenskapsfelt som biologi og faststofffysikk. Det er tre hovedtyper av elbiler. På 1930-tallet ble det konvensjonelle transmisjonselektronmikroskopet (OPEM) oppfunnet, skanningselektronmikroskopet (SEM) på 1950-tallet og skanningstunnelmikroskopet (RTM) på 1980-tallet. Disse tre typene mikroskop utfyller hverandre i studiet av strukturer og materialer av forskjellige typer.
KONVENSJONELL TRANSMISSJON ELEKTRONISK MIKROSKOP
OPEM ligner på mange måter et lysmikroskop, se MIKROSKOP, men kun for å lyse opp prøvene bruker det ikke lys, men en stråle av elektroner. Den inneholder en elektronspotlight (se nedenfor), en serie kondensatorlinser, en objektivlinse og et projeksjonssystem som matcher okularet, men projiserer selve bildet på en fluorescerende skjerm eller fotografisk plate. Elektronkilden er vanligvis en oppvarmet wolfram- eller lantanheksaboridkatode. Katoden er elektrisk isolert fra resten av enheten og elektronene akselereres av et sterkt elektrisk felt. For å skape et slikt felt holdes katoden ved et potensial på ca. -100 000 V i forhold til de andre elektrodene som fokuserer elektronene til en smal stråle. Denne delen av enheten kalles en elektronisk spotlight (se ELEKTRONISK PISTON). Siden elektroner er svært spredt av materie, må det være et vakuum i mikroskopsøylen der elektronene beveger seg. Den opprettholder et trykk som ikke overstiger en milliarddel av atmosfærisk.
Elektronisk optikk. Et elektronisk bilde dannes av elektriske og magnetiske felt på omtrent samme måte som et lysbilde dannes av optiske linser. Prinsippet for drift av en magnetisk linse er illustrert av diagrammet (fig. 1). Magnetfeltet som skapes av svingene på spolen som strømmen flyter gjennom, fungerer som en samlelinse, hvis brennvidde kan endres ved å endre strømmen. Siden den optiske kraften til en slik linse, dvs. evnen til å fokusere elektroner avhenger av magnetfeltstyrken nær aksen; for å øke den er det ønskelig å konsentrere magnetfeltet i minst mulig volum. I praksis oppnås dette ved at spolen er nesten fullstendig dekket med en magnetisk "panser" laget av en spesiell nikkel-koboltlegering, og etterlater bare et smalt gap i dens indre del. Magnetfeltet som skapes på denne måten kan være 10-100 tusen ganger sterkere enn jordens magnetfelt på jordoverflaten.
OPEM-diagrammet er vist i fig. 2. En rad med kondensatorlinser (bare den siste er vist) fokuserer elektronstrålen på prøven. Vanligvis skaper førstnevnte et uforstørret bilde av elektronkilden, mens sistnevnte kontrollerer størrelsen på det opplyste området på prøven. Blenderåpningen til den siste kondensatorlinsen bestemmer strålebredden i objektets plan. Prøven plasseres i magnetfeltet til en objektivlinse med høy optisk kraft - den viktigste linsen til OPEM, som bestemmer den maksimale mulige oppløsningen til enheten. Avvikene til en objektivlinse begrenses av blenderåpningen på samme måte som i et kamera eller et lysmikroskop. Objektivlinsen gir et forstørret bilde av objektet (vanligvis med en forstørrelse på ca. 100); den ekstra forstørrelsen som introduseres av mellom- og projeksjonslinser varierer fra litt mindre enn 10 til litt mer enn 1000. Dermed er forstørrelsen som kan oppnås i moderne OPEM-er fra mindre enn 1000 til ELEKTRONISK MIKROSKOP1.000.000. (Ved en forstørrelse på en million ganger grapefrukten vokser til jordens størrelse.) Objektet som studeres er vanligvis plassert på et veldig fint nett, satt inn i en spesiell holder. Holderen kan beveges mekanisk eller elektrisk jevnt opp og ned og til venstre og høyre.
Bilde. Kontrasten i OPEM skyldes spredning av elektroner når elektronstrålen passerer gjennom prøven. Hvis prøven er tynn nok, er andelen av spredte elektroner liten. Når elektroner passerer gjennom prøven, blir noen av dem spredt på grunn av kollisjoner med kjernene til atomene i prøven, andre på grunn av kollisjoner med elektronene til atomene, og atter andre passerer uten å gjennomgå spredning. Graden av spredning i en hvilken som helst region av prøven avhenger av tykkelsen på prøven i denne regionen, dens tetthet og gjennomsnittlig atommasse (antall protoner) ved et gitt punkt. Elektroner som forlater membranen med et vinkelavvik som overstiger en viss grense kan ikke lenger gå tilbake til strålen som bærer bildet, og derfor sprer områder med økt tetthet, økt tykkelse, plasseringen av tunge atomer i bildet som mørke soner mot et lys bakgrunn. Et slikt bilde kalles lysfelt fordi feltet rundt er lettere enn objektet i det. Men det er mulig å få det elektriske avbøyningssystemet til å passere bare ett eller annet av de spredte elektronene inn i linsemembranen. Da ser prøven lys ut i det mørke feltet. Et svakt spredningsobjekt er ofte mer praktisk å se i mørkfeltmodus. Det endelige forstørrede elektroniske bildet konverteres til et synlig ved hjelp av en selvlysende skjerm som lyser under påvirkning av elektronbombardement. Dette bildet, vanligvis lavkontrast, blir vanligvis sett gjennom et binokulært lysmikroskop. Ved samme lysstyrke kan et slikt mikroskop med en forstørrelse på 10 skape et bilde på netthinnen som er 10 ganger større enn når det observeres med det blotte øye. Noen ganger brukes en fosforskjerm med en elektro-optisk omformer for å øke lysstyrken til et svakt bilde. I dette tilfellet kan det endelige bildet vises på en vanlig TV-skjerm, som gjør at det kan tas opp på videobånd. Videoopptak brukes til å ta opp bilder som endrer seg over tid, for eksempel på grunn av en kjemisk reaksjon. Oftest blir det endelige bildet tatt opp på fotografisk film eller fotografisk plate. En fotografisk plate lar vanligvis oppnå et skarpere bilde enn det som observeres med det blotte øye eller tas opp på videobånd, siden fotografiske materialer generelt sett registrerer elektroner mer effektivt. I tillegg kan 100 ganger flere signaler tas opp per arealenhet av fotografisk film enn per arealenhet av videobånd. Takket være dette kan bildet tatt opp på fotografisk film forstørres ytterligere med ca. 10 ganger uten tap av klarhet.
Tillatelse. Elektronstråler har egenskaper som ligner på lysstrålene. Spesielt har hvert elektron en bestemt bølgelengde. Oppløsningen til en EM bestemmes av den effektive bølgelengden til elektronene. Bølgelengden avhenger av hastigheten til elektronene, og derfor av akselerasjonsspenningen; jo høyere akselerasjonsspenning, jo høyere hastighet har elektronene og jo kortere bølgelengde, som betyr jo høyere oppløsning. En slik betydelig fordel med EM i oppløsning skyldes det faktum at bølgelengden til elektroner er mye kortere enn bølgelengden til lys. Men siden elektroniske linser ikke fokuserer like godt som optiske linser (den numeriske blenderåpningen til en god elektronisk linse er bare 0,09, mens for en god optisk linse når denne verdien 0,95), er EM-oppløsningen 50-100 elektronbølgelengder. Selv med så svake linser i et elektronmikroskop vil en oppløsningsgrense på ca. 0,17 nm, som gjør det mulig å skille mellom individuelle atomer i krystaller. For å oppnå en oppløsning i denne rekkefølgen kreves det svært nøye instrumentinnstilling; spesielt kreves det svært stabile strømforsyninger, og selve enheten (som kan være ca. 2,5 m høy og veie flere tonn) og tilleggsutstyret krever vibrasjonsfri installasjon.
RASTER ELEKTRONISK MIKROSKOP
SEM, som har blitt det viktigste instrumentet for vitenskapelig forskning, fungerer som et godt supplement til OPEM. SEM bruker elektroniske linser for å fokusere elektronstrålen til et veldig lite sted. Du kan justere SEM slik at punktdiameteren i den ikke overstiger 0,2 nm, men som regel er det enheter eller titalls nanometer. Dette stedet krysser kontinuerlig et bestemt område av prøven, lik en stråle som krysser skjermen til et fjernsynsrør. Det elektriske signalet som oppstår fra bombardementet av objektet med stråleelektronene brukes til å danne et bilde på skjermen til et TV-bilderør eller katodestrålerør (CRT), hvis sveip er synkronisert med elektronstråleavbøyningssystemet (fig. 3). Forstørrelse i dette tilfellet forstås som forholdet mellom størrelsen på bildet på skjermen og størrelsen på området som dekkes av strålen på prøven. Denne økningen er fra 10 til 10 millioner.
Samspillet mellom elektronene i den fokuserte strålen med atomene i prøven kan ikke bare føre til spredning av dem, som brukes til å få et bilde i OPEM, men også til eksitering av røntgenstråling, emisjon av synlig lys og utslipp av sekundære elektroner. I tillegg, siden SEM kun har fokuseringslinser foran prøven, lar den en studere "tykke" prøver.
Reflekterende SEM. Reflekterende SEM er designet for å studere bulkprøver. Siden kontrasten som oppstår ved registreringen av reflektert, dvs. tilbakespredte, og sekundære elektroner, er hovedsakelig assosiert med innfallsvinkelen til elektroner på prøven, overflatestrukturen avsløres i bildet. (Intensiteten av tilbakespredning og dybden den oppstår på avhenger av elektronenergien til den innfallende stråle. Emisjonen av sekundære elektroner bestemmes hovedsakelig av overflatesammensetningen og konduktiviteten til prøven.) Begge disse signalene gir informasjon om det generelle egenskapene til prøven. På grunn av den lave konvergensen til elektronstrålen er det mulig å utføre observasjoner med mye større dybdeskarphet enn når man arbeider med et lysmikroskop, og å oppnå utmerkede volumetriske mikrofotografier av overflater med et høyt utviklet relieff. Ved å registrere røntgenstrålingen som sendes ut av prøven, er det mulig, i tillegg til dataene på relieffet, å få informasjon om prøvens kjemiske sammensetning i overflatelaget med en dybde på 0,001 mm. Sammensetningen av materialet på overflaten kan også bedømmes ut fra den målte energien som enkelte elektroner sendes ut med. Alle vanskelighetene med å jobbe med SEM skyldes hovedsakelig registrerings- og elektroniske visualiseringssystemer. I en enhet med et komplett sett med detektorer, sammen med alle SEM-funksjoner, er en driftsmodus for en elektronsondemikroanalysator gitt.
Skannetransmisjonselektronmikroskop. Et skanni(RPEM) er en spesiell type SEM. Den er designet for tynne prøver, de samme som de som ble studert i OPEM. RPEM-kretsen skiller seg fra kretsen i fig. 3 bare ved at det ikke er noen detektorer plassert over prøven. Siden bildet er dannet av en vandrestråle (og ikke av en stråle som lyser opp hele området av prøven), kreves det en høyintensitets elektronkilde slik at bildet kan tas opp i rimelig tid. RPEM med høy oppløsning bruker feltutsendere med høy lysstyrke. I en slik elektronkilde genereres et veldig sterkt elektrisk felt (ca. V / cm) nær overflaten av en etset wolframtråd med svært liten diameter. Dette feltet trekker bokstavelig talt milliarder av elektroner ut av ledningen uten oppvarming. Lysstyrken til en slik kilde er nesten 10 000 ganger den for en oppvarmet wolframtrådkilde (se ovenfor), og elektronene som sendes ut av den kan fokuseres til en stråle med en diameter på mindre enn 1 nm. Det ble oppnådd jevne stråler med en diameter nær 0,2 nm. Autoelektroniske kilder kan bare operere under ultrahøyt vakuumforhold (ved trykk under Pa), der det er helt uten forurensninger som hydrokarbon og vanndamp, og det blir mulig å få bilder med høy oppløsning. Takket være slike ultrarene forhold er det mulig å undersøke prosesser og fenomener som er utilgjengelige for EM med konvensjonelle vakuumsystemer. Forskning i RPEM utføres på ultratynne prøver. Elektroner passerer gjennom slike prøver med liten eller ingen spredning. Elektroner spredt i vinkler på mer enn noen få grader uten retardasjon registreres, og faller på en ringelektrode plassert under prøven (fig. 3). Signalet som tas fra denne elektroden avhenger sterkt av atomantallet av atomer i området som elektronene passerer - tyngre atomer sprer flere elektroner mot detektoren enn lette. Hvis elektronstrålen er fokusert til et punkt mindre enn 0,5 nm i diameter, kan et bilde av individuelle atomer oppnås. I virkeligheten er det mulig å skille i bildet oppnådd i RPEM, individuelle atomer med en atommasse av jern (dvs. 26 eller mer). Elektroner som ikke har gjennomgått spredning i prøven, samt elektroner som har avtatt som følge av interaksjon med prøven, passerer inn i hullet til ringdetektoren. En energianalysator plassert under denne detektoren gjør at førstnevnte kan skilles fra sistnevnte. Ved å måle energien som går tapt av elektroner ved spredning, kan viktig informasjon om prøven fås. Energitapene knyttet til eksitering av røntgenstråler eller utslag av sekundære elektroner fra prøven gjør det mulig å bedømme de kjemiske egenskapene til stoffet i området som elektronstrålen passerer gjennom.
RASTER TUNNEL MIKROSKOP
EM-ene diskutert ovenfor bruker magnetiske linser for å fokusere elektroner. Denne delen er viet EM uten linser. Men før du går videre til et skanningstunnelmikroskop (RTM), vil det være nyttig å kort dvele ved to gamle typer objektivløse mikroskoper der et projisert skyggebilde dannes.
Auto-elektroniske og auto-ion-projektorer. Den autoelektroniske kilden brukt i RPEM har blitt brukt i skyggeprojektorer siden tidlig på 1950-tallet. I en feltprojektor akselereres elektroner som sendes ut av feltemisjon fra en spiss med svært liten diameter mot en selvlysende skjerm som ligger noen få centimeter fra spissen. Som et resultat vises et projisert bilde av overflaten av spissen og partiklene på denne overflaten på skjermen med en økning lik forholdet mellom radiusen til skjermen og spissens radius (ca.). Høyere oppløsning oppnås i en feltion-projektor, der projeksjonen av bildet utføres av ioner av helium (eller noen andre elementer), hvis effektive bølgelengde er kortere enn elektroner. Dette gjør det mulig å få bilder som viser det sanne arrangementet av atomer i krystallgitteret til spissmaterialet. Derfor brukes feltion-projektorer spesielt for å studere krystallstrukturen og dens defekter i materialer som slike tips kan lages av.
Skannetunnelmikroskop (RTM). Dette mikroskopet bruker også en metallspiss med liten diameter som er kilden til elektroner. Et elektrisk felt genereres i gapet mellom spissen og prøveoverflaten. Antall elektroner som trekkes av feltet fra spissen per tidsenhet (tunnelstrøm) avhenger av avstanden mellom spissen og prøveoverflaten (i praksis er denne avstanden mindre enn 1 nm). Når spissen beveger seg langs overflaten, moduleres strømmen. Dette lar deg få et bilde assosiert med overflaterelieffet til prøven. Hvis spissen ender med et enkelt atom, kan du danne et bilde av overflaten, som passerer atom for atom. RTM kan bare fungere under forutsetning av at avstanden fra spissen til overflaten er konstant, og spissen kan flyttes med en nøyaktighet av atomdimensjoner. Vibrasjon undertrykkes på grunn av den stive konstruksjonen og lille størrelsen på mikroskopet (ikke mer enn en knyttneve), samt bruken av flerlags gummistøtdempere. Høy nøyaktighet sikres av piezoelektriske materialer, som forlenges og trekker seg sammen under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. Ved å bruke en spenning i størrelsesorden 10-5 V, er det mulig å endre størrelsen på slike materialer med 0,1 nm eller mindre. Dette gjør det mulig, ved å feste spissen på et element laget av piezoelektrisk materiale, å bevege den i tre innbyrdes vinkelrette retninger med en nøyaktighet av rekkefølgen av atomdimensjoner.
ELEKTRONISK MIKROSKOPIPEKNIKK
Det er knapt noen forskningssektor innen biologi og materialvitenskap, hvor transmisjonselektronmikroskopi (TEM) ikke brukes; dette er på grunn av suksessen til prøveforberedelsesteknikken. Alle teknikker som brukes i elektronmikroskopi er rettet mot å oppnå en ekstremt tynn prøve og sikre maksimal kontrast mellom den og substratet, som den trenger som støtte. Grunnteknikken er designet for prøver 2-200 nm tykke, støttet av tynne plast- eller karbonfilmer, som plasseres på et rutenett med en maskestørrelse på ca. 0,05 mm. (En passende prøve, uansett hvordan den ble oppnådd, behandles på en slik måte at den øker intensiteten av elektronspredning på testobjektet.) Hvis kontrasten er høy nok, kan observatørens øye skille detaljer som er ved en avstand på 0,1-0,2 mm uten belastning fra hverandre. Følgelig, for at detaljene, separert på prøven med en avstand på 1 nm, skal kunne skjelnes i bildet laget av elektronmikroskopet, er det nødvendig med en total forstørrelse på rundt 100-200 000. De beste mikroskopene kan lage et bilde av prøven på en fotografisk plate med en slik økning, men samtidig vises for lite område. Vanligvis blir et mikrofotografi tatt med lavere forstørrelse og deretter forstørret fotografisk. Den fotografiske platen tillater en lengde på ca. 10 cm. 10 000 linjer. Hvis hver linje på prøven tilsvarer en bestemt struktur med en lengde på 0,5 nm, så for å registrere en slik struktur, kreves det en økning på minst 20 000, mens ved hjelp av SEM og RPEM, hvor bildet er tatt opp av et elektronisk system og er utplassert på en TV-skjerm, bare OK. 1000 linjer. Når du bruker en TV-monitor, er den minste nødvendige forstørrelsen omtrent 10 ganger større enn ved fotografering.
Biologiske preparater. Elektronmikroskopi er mye brukt i biologisk og medisinsk forskning. Det er utviklet metoder for fiksering, innstøping og innhenting av tynne vevssnitt for forskning i OPEM og RPEM og fikseringsmetoder for å studere bulkprøver i SEM. Disse teknikkene gjør det mulig å studere organiseringen av celler på makromolekylært nivå. Elektronmikroskopi avslørte komponentene i cellen og detaljer om strukturen til membraner, mitokondrier, endoplasmatisk retikulum, ribosomer og mange andre organeller som utgjør cellen. Prøven fikseres først med glutaraldehyd eller andre fikseringsmidler, og deretter dehydreres og dekkes med plast. Kryofikseringsmetoder (fiksering ved svært lave - kryogene - temperaturer) gjør at strukturen og sammensetningen kan bevares uten bruk av kjemiske fikseringsmidler. I tillegg lar kryogene metoder få bilder av frosne biologiske prøver uten dehydrering. Ved å bruke ultramikrotomer med blader av polert diamant eller glasskår, kan vevssnitt med en tykkelse på 30-40 nm kuttes. De monterte histologiske preparatene kan farges med forbindelser av tungmetaller (bly, osmium, gull, wolfram, uran) for å øke kontrasten til individuelle komponenter eller strukturer.
Biologisk forskning har blitt utvidet til mikroorganismer, spesielt virus, som ikke løses opp av lysmikroskoper. TEM gjorde det mulig å avsløre for eksempel strukturene til bakteriofager og plasseringen av underenheter i proteinkonvoluttene til virus. I tillegg kunne metodene for positiv og negativ farging avsløre strukturen med underenheter i en rekke andre viktige biologiske mikrostrukturer. Metoder for å øke kontrasten til nukleinsyrer gjorde det mulig å observere enkelt- og dobbelttrådet DNA. Disse lange lineære molekylene spres inn i et lag med grunnleggende protein og påføres en tynn film. Deretter påføres et veldig tynt lag med tungmetall på prøven ved vakuumavsetning. Dette laget av tungmetall "setter av" prøven, på grunn av at sistnevnte, når den observeres i OPEM eller RPEM, ser ut som om den er opplyst fra siden som metallet ble avsatt fra. Hvis du roterer prøven under sprøyting, samler metallet seg jevnt rundt partiklene fra alle sider (som en snøball).
Ikke-biologiske materialer. TEM brukes i materialforskning for å studere tynne krystaller og grenser mellom ulike materialer. For å få et høyoppløselig bilde av grensesnittet fylles prøven med plast, prøven kuttes vinkelrett på kanten, og deretter tynnes den ut slik at kanten er synlig ved den skarpe kanten. Krystallgitteret sprer elektroner sterkt i visse retninger, og gir et diffraksjonsmønster. Bildet av en krystallinsk prøve bestemmes i stor grad av dette bildet; kontrast avhenger sterkt av orienteringen, tykkelsen og perfeksjonen til krystallgitteret. Kontrastendringer i bildet lar deg studere krystallgitteret og dets ufullkommenhet på en skala av atomdimensjoner. Informasjonen som er oppnådd i dette tilfellet utfyller den som er gitt ved røntgenanalyse av bulkprøver, siden EM gjør det mulig å direkte se dislokasjoner, stablingsfeil og korngrenser i alle detaljer. I tillegg kan elektrondiffraksjonsmønstre registreres i EM og diffraksjonsmønstre fra utvalgte områder av prøven kan observeres. Hvis linsemembranen er justert slik at bare én diffraktert og ikke-spredt sentralstråle passerer gjennom den, er det mulig å få et bilde av et visst system av krystallplan, som gir denne diffrakterte strålen. Moderne enheter tillater oppløsning av gitterperioder på 0,1 nm. Krystaller kan også studeres ved mørkfeltsavbildningsmetoden, der den sentrale strålen overlappes, slik at bildet dannes av en eller flere diffrakterte stråler. Alle disse metodene ga viktig informasjon om strukturen til mange materialer og tydeliggjorde fysikken til krystaller og deres egenskaper betydelig. For eksempel gjorde analysen av TEM-bilder av krystallgitteret til tynne små kvasikrystaller i kombinasjon med analysen av deres elektrondiffraksjonsmønstre det mulig i 1985 å oppdage materialer med femteordens symmetri.
Høyspentmikroskopi. For tiden produserer industrien høyspentversjoner av OPEM og RPEM med akselererende spenninger fra 300 til 400 kV. Slike mikroskoper har høyere penetreringskraft enn lavspentapparater, og er nesten på nivå med 1 million volts mikroskopene som ble bygget tidligere. Moderne høyspentmikroskoper er ganske kompakte og kan installeres i et vanlig laboratorierom. Deres økte penetreringskraft viser seg å være en svært verdifull egenskap når man studerer defekter i tykkere krystaller, spesielt de som det er umulig å lage tynne prøver fra. I biologi gjør deres høye penetreringsevne det mulig å undersøke hele celler uten å kutte dem. I tillegg kan disse mikroskopene brukes til å få volumetriske bilder av tykke gjenstander.
Lavspenningsmikroskopi. SEM-er produseres også med en akselererende spenning på bare noen få hundre volt. Selv ved så lave spenninger er elektronbølgelengden mindre enn 0,1 nm, så den romlige oppløsningen her er også begrenset av aberrasjonene til de magnetiske linsene. Men siden elektroner med så lav energi penetrerer grunt under overflaten av prøven, kommer nesten alle elektronene som er involvert i avbildning fra et område veldig nær overflaten, noe som forbedrer oppløsningen av overflaterelieffet. Ved å bruke lavspente SEM-er ble bilder tatt på faste overflater av objekter mindre enn 1 nm i størrelse.
Stråleskader. Siden elektroner er ioniserende stråling, blir prøven i EM konstant utsatt for det. (Som et resultat av denne eksponeringen genereres sekundære elektroner, som brukes i SEM.) Derfor er prøver alltid utsatt for strålingsskader. En typisk strålingsdose absorbert av en tynn prøve under opptak av et mikrofotografi i en OPEM tilsvarer omtrent energien som vil være tilstrekkelig for fullstendig fordampning av kaldt vann fra en dam 4 m dyp med et overflateareal på 1 ha . For å redusere strålingsskader på prøven, er det nødvendig å bruke forskjellige metoder for tilberedning: farging, helling, frysing. I tillegg er det mulig å registrere et bilde med en elektrondose som er 100-1000 ganger lavere enn ved bruk av standardteknikk, og deretter forbedre det ved hjelp av databehandlingsmetoder.
HISTORISK REFERANSE
Historien om opprettelsen av elektronmikroskopet er et fantastisk eksempel på hvordan uavhengig utviklende felt av vitenskap og teknologi kan, ved å utveksle informasjon mottatt og kombinere innsats, skape et kraftig nytt verktøy for vitenskapelig forskning. Toppen av klassisk fysikk var teorien om det elektromagnetiske feltet, som forklarte forplantningen av lys, utseendet til elektriske og magnetiske felt, bevegelsen av ladede partikler i disse feltene som forplantningen av elektromagnetiske bølger. Bølgeoptikk tydeliggjorde fenomenet diffraksjon, mekanismen for avbildning og spillet av faktorer som bestemmer oppløsningen i et lysmikroskop. Vi skylder våre suksesser innen teoretisk og eksperimentell fysikk til oppdagelsen av elektronet med dets spesifikke egenskaper. Disse separate og tilsynelatende uavhengige utviklingsveiene førte til etableringen av grunnlaget for elektronisk optikk, en av de viktigste bruksområdene som var oppfinnelsen av EM på 1930-tallet. En direkte hentydning til en slik mulighet kan betraktes som hypotesen om elektronets bølgenatur, fremsatt i 1924 av Louis de Broglie og eksperimentelt bekreftet i 1927 av K. Davisson og L. Jermer i USA og J. Thomson i England . Dermed ble det foreslått en analogi som gjorde det mulig å konstruere en EM i henhold til bølgeoptikkens lover. H. Bush oppdaget at elektriske og magnetiske felt kan brukes til å danne elektroniske bilder. I de to første tiårene av det 20. århundre. de nødvendige tekniske forutsetningene ble også skapt. Industrielle laboratorier som arbeider med et katodestråleoscilloskop ga vakuumteknologi, stabile kilder til høy spenning og strøm, gode elektronemittere. I 1931 sendte R. Rudenberg inn en patentsøknad for et transmisjonselektronmikroskop, og i 1932 bygde M. Knoll og E. Ruska det første slike mikroskop ved å bruke magnetiske linser for å fokusere elektroner. Denne enheten var forløperen til den moderne OPEM. (Ruska ble belønnet for sitt arbeid ved å bli nobelprisvinner i fysikk for 1986.) I 1938 bygde Ruska og B. von Borris en prototype av en industriell OPEM for Siemens-Halske i Tyskland; denne enheten tillot til slutt en oppløsning på 100 nm. Noen år senere bygde A. Prebus og J. Hiller den første høyoppløselige OPEM ved University of Toronto (Canada). De brede mulighetene til OPEM ble tydelige nesten umiddelbart. Dens industrielle produksjon ble startet samtidig av Siemens-Halske i Tyskland og RCA i USA. På slutten av 1940-tallet begynte andre selskaper å produsere slike enheter. SEM i sin nåværende form ble oppfunnet i 1952 av Charles Otley. Riktignok ble foreløpige versjoner av en slik enhet bygget av Knoll i Tyskland på 1930-tallet og Zworykin og ansatte ved RCA-selskapet på 1940-tallet, men bare Otleys enhet var i stand til å tjene som grunnlag for en rekke tekniske forbedringer, som kulminerte i introduksjon av en industriell versjon av SEM i produksjon på midten av 1960-tallet. Kretsen av forbrukere av en slik ganske brukervennlig enhet med et tredimensjonalt bilde og et elektronisk utgangssignal har utvidet seg med hurtigheten til en eksplosjon. For tiden er det et dusin industrielle produsenter av SEM "er på tre kontinenter og titusenvis av slike enheter som brukes i laboratorier rundt om i verden. På 1960-tallet ble ultrahøyspentmikroskoper utviklet for studiet av tykkere prøver. Lederen i denne retningen var G. Dupuy i Frankrike, hvor en enhet med en akselererende spenning på 3,5 millioner volt ble satt i drift i 1970. RTM ble oppfunnet av G. Binnig og G. Rohrer i 1979 i Zürich. Dette instrumentet, veldig enkelt i design, gir atomisk oppløsning av overflater for etableringen av RTM Binnig og Rohrer (samtidig med Ruska) mottok Nobelprisen i fysikk.
se også Innholdsfortegnelse for emnet "Elektronmikroskopi. Membran.":
Elektronmikroskoper dukket opp på 1930-tallet og ble utbredt på 1950-tallet.
Figuren viser en moderne girkasse (gjennomskinnelig) elektronmikroskop, og figuren viser banen til elektronstrålen i dette mikroskopet. I et transmisjonselektronmikroskop passerer elektroner gjennom prøven før de danner et bilde. Et slikt elektronmikroskop ble konstruert først.
Elektronmikroskop snudd opp ned i forhold til lysmikroskopet. Stråling påføres prøven ovenfra, og bildet dannes nederst. Prinsippet for drift av et elektronmikroskop er i hovedsak det samme som et lysmikroskop. Elektronstrålen blir rettet av kondensatorlinser mot prøven, og det resulterende bildet blir deretter forstørret med andre linser.
Tabellen oppsummerer noen av likhetene og forskjellene mellom lys og elektronmikroskoper... På toppen av kolonnen i elektronmikroskopet er en elektronkilde - en wolframfilament, lik den som finnes i en vanlig lyspære. En høy spenning (for eksempel 50 000 V) påføres den, og glødetråden sender ut en strøm av elektroner. Elektromagneter fokuserer elektronstrålen.
Det skapes et dypt vakuum inne i kolonnen. Dette er nødvendig for å minimere spredning. elektroner på grunn av deres kollisjon med luftpartikler. For undersøkelse i elektronmikroskop kan kun svært tynne snitt eller partikler brukes, siden elektronstrålen er nesten fullstendig absorbert av større gjenstander. Delene av objektet med relativt høyere tetthet absorberer elektroner og ser derfor mørkere ut i det resulterende bildet. Tungmetaller som bly og uran brukes til å farge prøven for å øke kontrasten.
Elektroner er usynlige for det menneskelige øyet, så de er rettet mot et fluorescerende øye, som gjengir et synlig (svart-hvitt) bilde. For å ta et bilde, fjernes skjermen og elektronene rettes direkte inn på filmen. Et fotografi tatt i et elektronmikroskop kalles et elektronmikroskop.
Fordelen med elektronmikroskopet:
1) høy oppløsning (0,5 nm i praksis)
Ulemper med et elektronmikroskop:
1) materialet forberedt for forskning må være dødt, siden det under observasjonsprosessen er i et vakuum;
2) det er vanskelig å være sikker på at objektet reproduserer en levende celle i alle detaljer, siden fiksering og farging av materialet som studeres kan endre eller skade strukturen;
3) selve elektronmikroskopet og dets vedlikehold er kostbart;
4) forberedelse av materiale for arbeid med et mikroskop er tidkrevende og krever høyt kvalifisert personell;
5) prøvene som studeres blir gradvis ødelagt under påvirkning av elektronstrålen. Derfor, hvis en detaljert studie av prøven er nødvendig, er det nødvendig å fotografere den.
Begrepet "mikroskop" har greske røtter. Den består av to ord, som i oversettelse betyr "liten" og "se". Hovedrollen til mikroskopet er bruken av det når man undersøker svært små gjenstander. Samtidig lar denne enheten deg bestemme størrelsen og formen, strukturen og andre egenskaper til kropper som er usynlige for det blotte øye.
skapelseshistorie
Det er ingen eksakt informasjon om hvem som var oppfinneren av mikroskopet i historien. Ifølge noen rapporter ble den designet i 1590 av faren og sønnen til Janssen, en brillemaker. En annen utfordrer til tittelen oppfinner av mikroskopet er Galileo Galilei. I 1609 presenterte denne forskeren en enhet med konkave og konvekse linser for publikum på Accademia dei Lincei.
Gjennom årene har systemet for visning av mikroskopiske objekter utviklet seg og forbedret. Et stort skritt i historien var oppfinnelsen av en enkel akromatisk justerbar enhet med to linser. Dette systemet ble introdusert av nederlenderen Christian Huygens på slutten av 1600-tallet. Okularene til denne oppfinneren er fortsatt i produksjon i dag. Deres eneste ulempe er den utilstrekkelige bredden på synsfeltet. I tillegg, sammenlignet med design av moderne instrumenter, har Huygens' okularer en upraktisk plassering for øynene.
Produsenten av slike enheter Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723) ga et spesielt bidrag til mikroskopets historie. Det var han som trakk biologenes oppmerksomhet til denne enheten. Leeuwenhoek laget små produkter utstyrt med en, men veldig sterk linse. Det var upraktisk å bruke slike enheter, men de dupliserte ikke bildefeilene som var til stede i sammensatte mikroskoper. Oppfinnerne var i stand til å rette opp denne mangelen først etter 150 år. Sammen med utviklingen av optikk har bildekvaliteten i komposittenheter blitt bedre.
Forbedringen av mikroskop fortsetter i dag. Så i 2006 utviklet tyske forskere ved Institutt for biofysisk kjemi, Mariano Bossi og Stefan Helle, et toppmoderne optisk mikroskop. På grunn av sin evne til å observere objekter så små som 10 nm og høykvalitets 3D-bilder i tre dimensjoner, ble enheten kalt et nanoskop.
Klassifisering av mikroskoper
For tiden er det et bredt utvalg av instrumenter designet for å se på små gjenstander. De er gruppert basert på ulike parametere. Dette kan være formålet med mikroskopet eller den aksepterte belysningsmetoden, strukturen som brukes for den optiske utformingen, etc.
Men som regel er hovedtypene av mikroskoper klassifisert i henhold til størrelsen på oppløsningen til mikropartiklene som kan sees med dette systemet. I henhold til denne divisjonen er mikroskoper:
- optisk (lys);
- elektronisk;
- røntgen;
- skannesonde.
De mest utbredte er lysmikroskoper. Det er et bredt utvalg av dem i optikkbutikker. Ved hjelp av slike enheter løses hovedoppgavene for studiet av et bestemt objekt. Alle andre typer mikroskoper er klassifisert som spesialiserte. Bruken deres gjøres som regel under laboratorieforhold.
Hver av de ovennevnte enhetene har sine egne underarter som brukes i et bestemt område. I tillegg er det i dag mulig å kjøpe et skolemikroskop (eller pedagogisk), som er et startnivåsystem. Profesjonelle enheter tilbys også til forbrukere.
applikasjon
Hva er et mikroskop for? Det menneskelige øyet, som er et spesielt optisk system av biologisk type, har et visst nivå av oppløsning. Det er med andre ord den minste avstanden mellom de observerte objektene når de fortsatt kan skilles. For et normalt øye er denne oppløsningen innenfor 0,176 mm. Men størrelsen på de fleste dyre- og planteceller, mikroorganismer, krystaller, mikrostruktur av legeringer, metaller osv. er mye mindre enn denne verdien. Hvordan kan man studere og observere slike objekter? Det er her forskjellige typer mikroskoper kommer for å hjelpe mennesker. For eksempel gjør optiske enheter det mulig å skille strukturer der avstanden mellom elementene er minst 0,20 μm.
Hvordan fungerer et mikroskop?
Enheten, ved hjelp av hvilken undersøkelsen av mikroskopiske gjenstander blir tilgjengelig for det menneskelige øyet, har to hovedelementer. Dette er linsen og okularet. Disse delene av mikroskopet er festet i et bevegelig rør, plassert på en metallbase. Det er også en emnetabell på den.
Moderne typer mikroskoper er vanligvis utstyrt med et belysningssystem. Dette er spesielt en kondensator med irismembran. Obligatorisk komplett sett med forstørrelsesenheter er mikro- og makroskruer, som brukes til å justere skarpheten. Utformingen av mikroskoper sørger også for tilstedeværelsen av et system som kontrollerer posisjonen til kondensatoren.
I spesialiserte, mer komplekse mikroskoper brukes ofte andre tilleggssystemer og enheter.
Linser
Jeg vil starte beskrivelsen av mikroskopet med en historie om en av hoveddelene, det vil si fra objektivet. De er et komplekst optisk system som øker størrelsen på det aktuelle objektet i bildeplanet. Utformingen av linsene inkluderer et helt system av ikke bare enkeltlinser, men også to eller tre linser limt sammen.
Kompleksiteten til en slik optisk-mekanisk design avhenger av rekkevidden av de oppgavene som må løses av denne eller den enheten. For eksempel gir det mest sofistikerte mikroskopet opptil fjorten linser.
Objektivet inkluderer frontdelen og systemene som følger den. Hva er grunnlaget for å lage et bilde av ønsket kvalitet, samt å bestemme driftstilstanden? Dette er frontlinsen eller deres system. Etterfølgende objektivdeler er nødvendige for å oppnå den nødvendige forstørrelsen, brennvidden og bildekvaliteten. Disse funksjonene er imidlertid kun mulig i kombinasjon med et frontobjektiv. Det skal også sies at utformingen av den påfølgende delen påvirker lengden på røret og høyden på enhetens linse.
Okularer
Disse delene av mikroskopet er et optisk system designet for å bygge det nødvendige mikroskopiske bildet på overflaten av netthinnen til observatørens øyne. Okularene inkluderer to linsegrupper. Den som er nærmest øyet til forskeren kalles øyet, og den fjerneste kalles feltet (med sin hjelp bygger linsen et bilde av objektet som studeres).
Lys system
Mikroskopet har en kompleks struktur av diafragmaer, speil og linser. Med dens hjelp gis jevn belysning av det undersøkte objektet. I de aller første mikroskopene ble denne funksjonen utført, ettersom optiske instrumenter ble forbedret, ble først flate og deretter konkave speil brukt i dem.
Ved hjelp av slike enkle detaljer ble strålene fra solen eller lampene rettet mot studieobjektet. De moderne mikroskopene er mer perfekte. Den består av en kondensator og en kollektor.
Emnetabell
Mikroskopiske prøver som skal undersøkes plasseres på en flat overflate. Dette er emnetabellen. Ulike typer mikroskop kan ha en gitt overflate, utformet på en slik måte at studieobjektet vil rotere i observatøren horisontalt, vertikalt eller i en viss vinkel.
Driftsprinsipp
I den første optiske enheten produserte et linsesystem et omvendt bilde av mikroobjekter. Dette gjorde det mulig å skjelne materiens struktur og de minste detaljene som var gjenstand for studier. Driftsprinsippet til et lysmikroskop i dag ligner på et ildfast teleskop. I denne enheten brytes lyset når det passerer gjennom glassdelen.
Hvordan forstørrer moderne lysmikroskoper? Etter at en stråle med lysstråler kommer inn i enheten, omdannes de til en parallell strøm. Først da skjer lysbrytningen i okularet, på grunn av dette forstørres bildet av mikroskopiske objekter. Videre kommer denne informasjonen i den formen som er nødvendig for observatøren i sin
Undertyper av lysmikroskoper
Moderne klassifiserer:
1. I henhold til kompleksitetsklassen for et forsknings-, arbeids- og skolemikroskop.
2. Etter bruksområdet for kirurgisk, biologisk og teknisk.
3. Etter typer mikroskopi for enheter av reflektert og transmittert lys, fasekontakt, selvlysende og polarisering.
4. I retning av lysstrømmen til inverterte og rette linjer.
Elektronmikroskoper
Over tid har enheten designet for å undersøke mikroskopiske objekter blitt mer og mer perfekt. Slike typer mikroskoper dukket opp der et helt annet operasjonsprinsipp ble brukt, som ikke var avhengig av lysbrytningen. I prosessen med å bruke de nyeste typene enheter, er elektroner involvert. Slike systemer lar deg se så små enkeltdeler av materie at lysstråler rett og slett strømmer rundt dem.
Hva er et elektronmikroskop for? Det brukes til å studere strukturen til celler på molekylært og subcellulært nivå. Også slike enheter brukes til å studere virus.
Elektronmikroskop enhet
Hva er grunnlaget for arbeidet til de nyeste instrumentene for å se på mikroskopiske objekter? Hvordan er et elektronmikroskop forskjellig fra et lett? Er det noen likheter mellom dem?
Prinsippet for drift av et elektronmikroskop er basert på egenskapene som elektriske og magnetiske felt har. Deres rotasjonssymmetri er i stand til å gi en fokuseringseffekt på elektronstråler. På bakgrunn av dette kan man gi et svar på spørsmålet: "Hvordan skiller et elektronmikroskop seg fra et lett?" I den, i motsetning til en optisk enhet, er det ingen linser. Deres rolle spilles av passende beregnede magnetiske og elektriske felt. De er skapt av svinger av spoler som strøm går gjennom. I dette tilfellet virker slike felt på samme måte. Med en økning eller reduksjon i strømstyrken endres enhetens brennvidde.
Når det gjelder det skjematiske diagrammet, ligner det i et elektronmikroskop på en lysenhet. Den eneste forskjellen er at de optiske elementene er erstattet av lignende elektriske.
Forstørrelsen av et objekt i elektronmikroskoper oppstår på grunn av prosessen med brytning av en lysstråle som passerer gjennom objektet som studeres. I forskjellige vinkler faller strålene inn i objektivlinsens plan, hvor den første forstørrelsen av prøven finner sted. Elektronene reiser deretter til den mellomliggende linsen. I den er det en jevn endring i økningen i størrelsen på objektet. Det endelige bildet av testmaterialet leveres av projeksjonslinsen. Fra den faller bildet på den fluorescerende skjermen.
Typer elektronmikroskoper
Moderne typer inkluderer:
1... TEM, eller transmisjonselektronmikroskop. I dette oppsettet dannes et bilde av en veldig tynn, opptil 0,1 µm tykk gjenstand ved samspillet mellom en elektronstråle med stoffet som studeres og dens påfølgende forstørrelse med magnetiske linser plassert i objektivet.
2... SEM, eller skanningselektronmikroskop. En slik enhet gjør det mulig å få et bilde av overflaten til et objekt med en høy oppløsning i størrelsesorden flere nanometer. Ved bruk av tilleggsmetoder gir et slikt mikroskop informasjon som hjelper til med å bestemme den kjemiske sammensetningen av lagene nær overflaten.
3. Tunnel scanning elektronmikroskop, eller STM. Ved hjelp av denne enheten måles avlastningen av ledende overflater med høy romlig oppløsning. I prosessen med å jobbe med STM, bringes en skarp metallnål til objektet som studeres. I dette tilfellet opprettholdes en avstand på bare noen få ångstrøm. Videre påføres et lite potensial på nålen, på grunn av hvilket en tunnelstrøm oppstår. I dette tilfellet mottar observatøren et tredimensjonalt bilde av objektet som studeres.
Mikroskoper "Levenguk"
I 2002 dukket det opp et nytt selskap i Amerika, som var engasjert i produksjon av optiske instrumenter. Sortimentslisten over produktene inkluderer mikroskoper, teleskoper og kikkerter. Alle disse enhetene utmerker seg ved høy bildekvalitet.
Hovedkontoret og utviklingsavdelingen til selskapet er lokalisert i USA, i byen Fremond (California). Når det gjelder produksjonsanleggene, er de lokalisert i Kina. Takket være alt dette forsyner selskapet markedet med avanserte og høykvalitetsprodukter til en overkommelig pris.
Trenger du et mikroskop? Levenhuk vil foreslå det nødvendige alternativet. Utvalget av selskapets optiske utstyr inkluderer digitale og biologiske enheter for å forstørre objektet som studeres. I tillegg tilbys kjøperen designermodeller laget i en rekke farger.
Levenhuk mikroskop har omfattende funksjonalitet. For eksempel kan en pedagogisk enhet på inngangsnivå kobles til en datamaskin, og den er også i stand til å videoopptak av pågående forskning. Levenhuk D2L-modellen er utstyrt med denne funksjonaliteten.
Selskapet tilbyr biologiske mikroskoper på ulike nivåer. Dette er både enklere modeller og nye varer som passer for profesjonelle.
Historien om opprettelsen av et elektronmikroskop
I 1931 fikk R. Rudenberg patent på et transmisjonselektronmikroskop, og i 1932 bygde M. Knoll og E. Ruska den første prototypen av en moderne enhet. Dette verket av E. Ruski i 1986 ble tildelt Nobelprisen i fysikk, som ble tildelt ham og oppfinnerne av skanningsprobemikroskopet Gerd Karl Binnig og Heinrich Rohrer. Bruken av et transmisjonselektronmikroskop for vitenskapelig forskning begynte på slutten av 1930-tallet, da det første kommersielle instrumentet, bygget av Siemens, dukket opp.
På slutten av 1930-tallet – tidlig på 1940-tallet dukket de første skanningelektronmikroskopene opp, som danner et bilde av et objekt når en elektronsonde med liten seksjon flyttes sekvensielt over objektet. Den massive bruken av disse enhetene i vitenskapelig forskning begynte på 1960-tallet, da de oppnådde betydelig teknisk fortreffelighet.
Et betydelig sprang fremover (på 70-tallet) i utviklingen var bruken av Schottky-katoder og katoder med kaldfeltemisjon i stedet for termioniske katoder, men bruken av dem krever et mye større vakuum.
På slutten av 90-tallet og begynnelsen av 2000-tallet økte databehandlingen og bruken av CCD-detektorer betydelig stabilitet og (relativt) brukervennlighet.
I det siste tiåret har korrigerere for sfæriske og kromatiske aberrasjoner (som introduserer hovedforvrengningen i det resulterende bildet) blitt brukt i moderne avanserte transmisjonselektronmikroskoper, men bruken av dem kompliserer noen ganger betydelig bruken av enheten.
Typer elektronmikroskoper
Transmisjonselektronmikroskopi
Mal: Del blank
Innledende visning av et elektronmikroskop. Et transmisjonselektronmikroskop bruker en høyenergielektronstråle for å danne et bilde. Elektronstrålen skapes ved hjelp av en katode (wolfram, LaB 6, Schottky eller kaldt feltemisjon). Den resulterende elektronstrålen akselereres vanligvis opp til +200 keV (forskjellige spenninger brukes fra 20 keV til 1 meV), fokusert av et system av elektrostatiske linser, og passerer gjennom prøven slik at en del av den blir spredt på prøven, og del er ikke. Dermed bærer elektronstrålen som passerer gjennom prøven informasjon om strukturen til prøven. Strålen passerer deretter gjennom et system med forstørrelseslinser og danner et bilde på en fluorescerende skjerm (vanligvis sinksulfid), en fotografisk plate eller et CCD-kamera.
TEM-oppløsning begrenses hovedsakelig av sfærisk aberrasjon. Noen moderne TEM-er har sfæriske aberrasjonskorrigerere.
De største ulempene med TEM er behovet for en veldig tynn prøve (i størrelsesorden 100nm) og ustabiliteten (dekomponeringen) til prøvene under strålen.
Transmisjonsraster (skanning) elektronmikroskopi (STEM)
Hovedartikkel: Transmisjonsskannende elektronmikroskop
En av typene transmisjonselektronmikroskopi (TEM), men det er enheter som utelukkende fungerer i STEM-modus. En elektronstråle føres gjennom en relativt tynn prøve, men i motsetning til konvensjonell transmisjonselektronmikroskopi, fokuseres elektronstrålen til et punkt som beveger seg over prøven langs et raster.
Skanning (skanning) elektronmikroskopi
Den er basert på TV-prinsippet om å skanne en tynn elektronstråle over prøveoverflaten.
Lavspent elektronmikroskopi
Bruk av elektronmikroskoper
|
Halvledere og datalagring
Biologi og biovitenskap
|
Vitenskapelig forskning
Industri
|
Verdens største produsenter av elektronmikroskop
se også
Notater (rediger)
Lenker
- Topp 15 elektronmikroskopbilder fra 2011 Bildene på det anbefalte nettstedet er tilfeldig farget og har kunstnerisk snarere enn vitenskapelig verdi (elektronmikroskoper produserer svart-hvitt-bilder i stedet for farger).
Wikimedia Foundation. 2010.
Se hva "elektronmikroskop" er i andre ordbøker:
En enhet for å observere og fotografere et multiplisert (opptil 106 ganger) forstørret bilde av et objekt, hvor i stedet for lysstråler, brukes elektronstråler akselerert til høye energier (30 1000 keV og mer) i et dypt vakuum. Fysisk... Fysisk leksikon
En enhet for å observere og fotografere flere (opptil 106 ganger) forstørrede bilder av objekter, der i stedet for lysstråler, brukes elektronstråler, akselerert til høye energier (30-100 keV og mer) i et dypt vakuum. Fysisk ... ... Fysisk leksikon
Elektronmikroskop- (opplegg). ELEKTRONISK MIKROSKOP, en elektrooptisk vakuumenhet for å observere og fotografere flere (opptil 106 ganger) forstørrede bilder av objekter oppnådd ved hjelp av elektronstråler akselerert til høye energier. ... ... Illustrert encyklopedisk ordbok
ELEKTRONISK MIKROSKOP, MIKROSKOP, som «lyser opp» objektet som studeres med en strøm av elektroner. I stedet for konvensjonelle linser inneholder den magneter som fokuserer elektronstrålen. Denne enheten lar deg se gjenstander av svært små størrelser, fordi ... ... Vitenskapelig og teknisk encyklopedisk ordbok
For å studere nanoobjekter med oppløsning av optiske mikroskoper ( selv ved bruk av ultrafiolett) er tydeligvis ikke nok. I denne forbindelse, på 1930-tallet. ideen oppsto om å bruke elektroner i stedet for lys, hvis bølgelengde, som vi vet fra kvantefysikken, er hundrevis av ganger kortere enn fotoner.
Som du vet er visjonen vår basert på dannelsen av et bilde av et objekt på netthinnen i øyet av lysbølger som reflekteres fra dette objektet. Hvis lys passerer gjennom det optiske systemet før det kommer inn i øyet mikroskop, ser vi et forstørret bilde. I dette tilfellet kontrolleres lysstrålenes kurs dyktig av linsene som utgjør objektivet og okularet til enheten.
Men hvordan kan du få et bilde av et objekt, og med mye høyere oppløsning, ved å bruke ikke lysstråling, men en strøm av elektroner? Med andre ord, hvordan er det mulig å se objekter basert på bruk av partikler, ikke bølger?
Svaret er veldig enkelt. Det er kjent at banen og hastigheten til elektroner er betydelig påvirket av eksterne elektromagnetiske felt, ved hjelp av hvilke det er mulig å effektivt kontrollere elektronenes bevegelse.
Vitenskapen om bevegelsen av elektroner i elektromagnetiske felt og beregningen av enheter som danner de nødvendige feltene kalles elektronisk optikk.
Et elektronisk bilde dannes av elektriske og magnetiske felt på omtrent samme måte som et lysbilde dannes av optiske linser. Derfor, i et elektronmikroskop kalles enheter for fokusering og spredning av en elektronstråle " elektroniske linser”.
Elektronisk linse. Svingene til spoleledningene som strømmen flyter gjennom, fokuserer elektronstrålen på samme måte som en glasslinse fokuserer lysstrålen.
Spolens magnetfelt fungerer som en konvergerende eller diffuserende linse. For å konsentrere magnetfeltet lukkes spolen med en magnetisk " rustning»Laget av en spesiell nikkel-kobolt-legering, og etterlater kun et smalt gap i interiøret. Magnetfeltet som skapes på denne måten kan være 10-100 tusen ganger sterkere enn jordas magnetfelt!
Dessverre kan øynene våre ikke direkte oppfatte elektronstråler. Derfor brukes de til " tegning«Bilder på fluorescerende skjermer (som lyser når elektroner treffer). Det samme prinsippet ligger forresten til grunn for driften av monitorer og oscillografer.
Det er mange forskjellige typer elektronmikroskoper, blant hvilke det mest populære er skanningselektronmikroskopet (SEM). Vi får et forenklet diagram av det hvis vi plasserer objektet som studeres inne i katodestrålerøret til et vanlig TV-apparat mellom skjermen og elektronkilden.
I slike mikroskop en tynn stråle av elektroner (strålediameter ca. 10 nm) løper rundt (som om den skanner) prøven langs horisontale linjer, punkt for punkt, og overfører synkront signalet til kineskopet. Hele prosessen ligner på driften av en TV under sveipeprosessen. Kilden til elektroner er et metall (vanligvis wolfram), som ved oppvarming sendes ut elektroner som et resultat av termionisk emisjon.
Driftsskjema for et skanningselektronmikroskop
Termionisk utslipp- utgangen av elektroner fra overflaten av lederne. Antallet utsendte elektroner er lite ved T = 300 K og vokser eksponentielt med økende temperatur.
Når elektroner passerer gjennom prøven, blir noen av dem spredt på grunn av kollisjoner med kjernene til atomene i prøven, andre på grunn av kollisjoner med elektronene til atomene, og atter andre passerer gjennom den. I noen tilfeller sendes det ut sekundære elektroner, induseres røntgenstråler osv. Alle disse prosessene er registrert av spesial detektorer og i en transformert form vises på skjermen, og skaper et forstørret bilde av objektet som studeres.
Forstørrelse i dette tilfellet forstås som forholdet mellom størrelsen på bildet på skjermen og størrelsen på området som dekkes av strålen på prøven. På grunn av det faktum at bølgelengden til et elektron er størrelsesordener kortere enn for et foton, kan denne økningen i moderne SEM nå 10 millioner15, tilsvarende en oppløsning på noen få nanometer, noe som gjør det mulig å visualisere individuelle atomer.
Den største ulempen elektronmikroskopi- behovet for å jobbe i fullt vakuum, fordi tilstedeværelsen av gass inne i mikroskopkammeret kan føre til ionisering av atomene og forvrenge resultatene betydelig. I tillegg har elektroner en ødeleggende effekt på biologiske objekter, noe som gjør dem uanvendelige for forskning på mange områder innen bioteknologi.
skapelseshistorie elektronmikroskop Er et bemerkelsesverdig eksempel på prestasjon basert på en tverrfaglig tilnærming, når uavhengig utvikle felt av vitenskap og teknologi, forent, skapte et kraftig nytt verktøy for vitenskapelig forskning.
Toppen av klassisk fysikk var teorien om det elektromagnetiske feltet, som forklarte forplantningen av lys, elektrisitet og magnetisme som forplantningen av elektromagnetiske bølger. Bølgeoptikk forklarte fenomenet diffraksjon, mekanismen for avbildning og spillet av faktorer som bestemmer oppløsningen i et lysmikroskop. Suksess kvantefysikk vi skylder oppdagelsen av elektronet med dets spesifikke korpuskulære bølgeegenskaper. Disse separate og tilsynelatende uavhengige utviklingsveiene førte til opprettelsen av elektronisk optikk, en av de viktigste oppfinnelsene som på 1930-tallet var elektronmikroskopet.
Men heller ikke dette hvilet forskerne på. Bølgelengden til et elektron akselerert av et elektrisk felt er flere nanometer. Dette er bra hvis vi ønsker å se et molekyl eller til og med et atomgitter. Men hvordan se inn i atomet? Hvordan er en kjemisk binding? Hvordan ser prosessen med en enkelt kjemisk reaksjon ut? For dette i dag utvikler forskere i forskjellige land nøytronmikroskoper.
Nøytroner er vanligvis inkludert i atomkjerner sammen med protoner og har nesten 2000 ganger massen til et elektron. De som ikke har glemt de Broglie-formelen fra kvantekapittelet vil umiddelbart innse at bølgelengden til nøytronet er like mange ganger mindre, det vil si at det er pikometer i tusendeler av en nanometer! Da vil atomet fremstå for forskere ikke som en vag flekk, men i all sin prakt.
Nøytron mikroskop har mange fordeler - spesielt reflekterer nøytroner hydrogenatomer godt og trenger lett gjennom tykke lag av prøver. Imidlertid er det veldig vanskelig å bygge det: nøytroner har ikke en elektrisk ladning, derfor ignorerer de rolig magnetiske og elektriske felt og prøver å unnslippe sensorene. I tillegg er det ikke lett å fordrive store, store nøytroner fra atomer. Derfor er de første prototypene av et nøytronmikroskop i dag fortsatt veldig langt fra å være perfekte.