Сергей Клементьев - Электронный микроскоп

Можно создать искусственные глаза, которые «видят» электронные лучи так же хорошо, как человеческие глаза видят лучи света.

Искусственный глаз устроен несложно. Это пластинка, покрытая сернистым цинком или виллемитом — веществами, светящимися под действием ударяющихся о них электронов.

Микроскоп, в котором использованы электронные волны, называют электронным.

В обычном, оптическом микроскопе для освещения рассматриваемых предметов пользуются специальным осветителем с электрической лампочкой.

В электронном микроскопе для той же цели служит электронная пушка. Эта пушка «стреляет» электронами.

Как же устроена эта оригинальная пушка?

Весь ее «боекомплект» состоит из коротенького кусочка вольфрамовой проволоки, раскаляемой электрическим током.

Как и всякое нагретое до высокой температуры тело проволока излучает электроны, которые притягиваются металлической пластинкой (анодом), заряженной положительно.

Анод радиолампы состоит из сплошной пластинки, а анод электронной пушки в центре имеет маленькую дырочку, через которую вылетают электроны. В обычных радиолампах наших широковещательных приемников напряжение между накаливаемой нитью лампы и анодом редко превышает 300 вольт. В электронной же пушке современного советского микроскопа напряжение не ниже 30–50 тысяч вольт. Чем выше напряжение между вольфрамовой проволочкой и анодной пластинкой, тем больше скорость электронов.

С громадной скоростью электроны, выстреливаемые из пушки, проскакивают через отверстие в анодной пластинке и по инерции летят вниз. Там, внизу, электроны попадают в линзы. Это не обычные линзы. Они совсем не похожи на стеклянные увеличительные стекла.

Линзы в электронном микроскопе представляют собой… пустоту.

И эти пустотные линзы отлично преломляют электронные волны, сводят их в пучки, подобно тому как увеличительное стекло собирает лучи света в одну точку.

Что же это за странные линзы, сделанные из «ничего»?

Дело в том, что между световыми и электронными волнами есть большая разница. Электроны обладают электрическим зарядом. Движущиеся электроны — это электрический ток. На всякий электрический ток действует магнит. Световые волны заряда с собой не несут, и поэтому магнит на них не действует. Когда луч света проходит через стеклянную линзу, то он меняет свое направление, преломляясь под воздействием атомов стекла.

Летящие же электроны могут отклониться от первоначального пути, попав либо в электрическое, либо в магнитное поле.

В советском электронном микроскопе пользуются магнитным полем. Поэтому пустые линзы электронного микроскопа представляют собой катушки из проволоки, создающие магнитное поле. Эти катушки устроены почти так же, как обычные катушки для ниток. Но вместо ниток на гильзы катушек намотана медная изолированная проволока.

Когда по виткам катушки проходит электрический ток, то создается магнитное поле. Это магнитное поле и воздействует на поток быстро летящих электронов внутри катушки. Магнитное поле, создаваемое катушкой, собирает электроны в узкие пучки, подобно тому как стеклянная линза собирает лучи света в одну точку.

Первая линза — конденсорная — собирает, или, как говорят, конденсирует, электроны, выстреливаемые из электронной пушки, в узкий пучок и, подобно лучу прожектора, нацеливает их на изучаемый предмет.

Но можно ли, например, назвать предметом немыслимо крошечные точки вирусов или молекулы какого- нибудь металла? Как их укрепить внутри микроскопа?

Они наносятся на тончайшую пленку из коллодия или другого лака. Электроны проходят через пленку насквозь, пробивают ее, как пули, навылет. Но часть электронов натыкается при своем полете на мельчайшие тельца вирусов или молекул и рассеивается по сторонам.

Длина электронной волны очень мала. Она намного меньше тех крошечных частиц, которые исследуются под микроскопом. Поэтому электронная волна отражается от этих частиц и рассеивается в стороны. Электронная волна не огибает этих крошечных частиц. Она «замечает» столь безмерно малые предметы. Пройдя изучаемое вещество, электроны попадают во вторую магнитную линзу. Эта линза называется объективной . Она дает первое изображение, как бы начальную зарисовку сильно увеличенного предмета.

Третья магнитная линза — проекционная — увеличивает изображение еще больше. Проекционная линза отбрасывает электроны на фотопластинку или на экран, покрытый веществом, светящимся под их ударами.

Электроны, ударяющиеся об экран, вызывают на нем маленькие зеленоватые вспышки света.

Но не все электроны попадают на экран. Некоторые электроны, вылетевшие из электронной пушки и попавшие в первую магнитную линзу, рассеиваются, встретив на своем пути изучаемый предмет.

Эти электроны на экран (или на фотопластинку вместо экрана) уже не попадают. В результате экран светится неравномерно. В тех местах экрана, в которые ударились электроны, будут вспышки света, а куда электроны не попали — тень.

Но в различных участках изучаемого предмета электроны рассеиваются по-разному. Там, где предмет толще или плотность его выше, электронов рассеется гораздо больше.

Меньше всего рассеивает электронов тончайшая пленочка, на которую наносится изучаемый предмет или вещество. Пленка пропускает электронов больше всего. Электроны «простреливают» ее навылет.

Те точки экрана, куда попадает большее число электронов, светятся сильнее. Те точки, в которые электронов попадает мало, светятся гораздо слабее. Точки экрана, в которые вовсе не попадает ни одного электрона, остаются совершенно темными.

Так в игре Света различной яркости и тени возникает перед нашими глазами изображение предмета, увеличенное в десятки и сотни тысяч раз.

Чтобы изображение предмета на экране получилось правильным, а не искаженным, электроны, прошедшие изучаемый предмет, больше уже не должны нигде рассеиваться. Ничто не должно мешать их свободному полету от предмета к экрану. А ведь лететь им предстоит еще далеко. До экрана почти метр пути. Мало ли что может случиться с электроном!

Электрон, пройдя изучаемый предмет, может натолкнуться на молекулу воздуха. В результате такого столкновения пострадают и молекула и электрон. Судьба молекулы воздуха нас сейчас мало интересует. Гораздо важнее, что произойдет от такого удара с электроном.

Электрон при ударе о молекулу воздуха отскочит в сторону и на экран не попадет. Поэтому изображение предмета будет искаженным.

Чтобы этого не произошло, с пути электронов удаляют воздух насколько это возможно. Во время работы электронного микроскопа вакуумный насос все время выкачивает воздух из прибора. Там остается совсем немного молекул воздуха.