Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ, TEM)
Просвечивающий электронный микроскоп
Использование электронов для исследования микромира
Чтобы удовлетворить это любопытство, было придумано множество изобретений. Одним из них является оптический микроскоп. Человеческий глаз может различать объекты размером до 0.2 мм. Оптические микроскопы выявляют маленькие объекты, которые в противном случае были бы невидимы для человеческого глаза, увеличивая их с помощью комбинации стеклянных линз. Если мы будем повышать коэффициент усиления (увеличения) оптического микроскопа все выше и выше, сможем ли мы увидеть атом? К сожалению, ответ «НЕТ». Оптические микроскопы используют свет в качестве освещения, поэтому их способность различать мелкие структуры (разрешение) ограничена. Они не могут различить любую структуру, размер которой меньше длины волны света.
Инженеры, как Руска в Германии, преодолели этот предел. Они изобрели «электронный микроскоп», в котором в качестве источника освещения вместо света используется электронный луч. Это позволяет нам наблюдать небольшие структуры с гораздо лучшим увеличением, чем это возможно с оптическими микроскопами. Теперь можно различать расположение атомов в материалах.
Электронные микроскопы позволяют четко наблюдать микроструктуры, что невозможно с оптическими микроскопами. Кроме того, они также позволяют анализировать структуры вещества и получать информацию об атомном уровне с помощью электронного луча. Электронный микроскоп — это эпохальное изобретение, используемое во всем мире для исследования атомного мира, который мы едва ли могли себе представить.
Разница между электронным лучом и светом
Характерной чертой электронов является то, что они не могут свободно перемещаться в воздухе. Однако они могут свободно перемещаться в вакууме. По этой причине внутри колонки электронного микроскопа поддерживается вакуум; то, что не требуется для оптического микроскопа.
Образец освещается пучком электронов, ускоренных устройством, называемым электронной пушкой. Эти электроны либо проникают в образец, либо вызывают рассеяние. Путем избирательного схождения и расхождения этих электронов с помощью электронной линзы (электрические и магнитные поля отклоняют электронный пучок для формирования изображения, точно так же, как стеклянные линзы отклоняют свет для оптического микроскопа), увеличенные изображения формируются на флуоресцентной поверхности, которая располагается под балкой и образцом.
Электронные пучки представляют собой потоки электронов, генерируемые в вакууме путем нагревания или приложения сильного электрического поля к тонкой нити, и имеют характер «волны» с длиной волны короче, чем у видимого света. Вместо стекла линзы электронного микроскопа представляют собой комбинацию электромагнитов, сконструированных для формирования линз магнитного поля.
рисунок 1. Рябь, вызванная разницей в величине волны
Как объяснялось выше, способность различать мелкие структуры, то есть разрешение, во многом зависит от длины волны «волны», используемой для освещения образца.
Природу этой «волны» можно легко понять, сравнив ее с волновым рисунком, возникающим, когда в озеро бросают маленький камень. Предположим, что волны на поверхности воды соприкасаются с выступающим над поверхностью камнем. Если скала больше, чем длина между гребнями волн (длина волны), то волновая картина не продолжается за скалой (рис.1). Это создает тень. Однако, если камень меньше длины волны, волновая картина не будет прервана за камнем, и тени не будет. В этом случае существование породы не может быть обнаружено.
В то время как длина волны видимого света составляет от 400 до 800 нм (1 нанометр равен одной стотысячной 100,000 мм), длина волны электронного луча, который используется в качестве источника света в электронном микроскопе, изменяется в зависимости от ускоряющего напряжения. Обычно используемые ускоряющие напряжения составляют от 0.1 до 100 кВ (что соответствует длинам волн от 200 до 0.0037 нм).
Эта длина волны намного короче, чем у света, и ее достаточно, чтобы различить расположение атомов (несколько нанометров). Для оптического микроскопа комбинация линз варьируется, чтобы изменить увеличение. Напротив, в электронном микроскопе интенсивность электрического тока, проходящего через электромагниты, изменяется для изменения напряженности магнитного поля. Это соответствует изменению толщины выпуклой линзы. На самом деле, манипулируя электрическим током, можно свободно контролировать увеличение.
Еще одна характеристика «электронографии»
Еще одна замечательная особенность электронного микроскопа заключается в том, что можно получить картину дифракции электронов.
Это важная информация, раскрывающая природу материала (образца), особенно его атомное расположение. Аналогичную информацию можно получить и с помощью рентгена, но она не коррелирует с изображением облучаемой области. Электронные микроскопы позволяют наблюдать изображения с большим увеличением и проводить дифракционный анализ в нанометровом масштабе для той же облучаемой области.
Электроны, используемые для освещения очень тонкого образца, будут рассеиваться при прохождении через него. Этот процесс дает картину дифракции электронов, а метод дифракции электронов может выявить расположение молекул и атомов в кристаллическом образце. Этот метод играет важную роль в области материаловедения.