Александр Штейнгауз - Девять цветов радуги

Но нет ли другого пути, нет ли других явлений, которые помогли бы нам сделать то, чего не позволяет свет?

Мы можем ответить на поставленный вопрос. Для этого стоит лишь вспомнить, что известно науке о природе света. Свет, говорит она, обладает и свойствами волны, и свойствами частицы.

Но нет ли другого, физического объекта, обладающего сходными свойствами? Есть. И мы знаем его. Электрон проявляет себя точно так же — он и частица и волна.

Но если это так, нельзя ли создать микроскоп, в котором вместо световых волн использовались бы волны, связанные с электронами?

Да, можно. И даже необходимо, потому что длина волны, связанной с электронами, может быть сделана поразительно малой, даже меньшей, чем у рентгеновских лучей. И, следовательно, разрешающая способность такого электронного микроскопа может оказаться чрезвычайно высокой.

Мысль о создании электронного микроскопа, вероятно, возникла вскоре же после открытия, сделанного Луи де Бройлем в 1924 году. Он предсказал тогда, что электроны должны обладать волновыми свойствами. И вскоре это предсказание подтвердилось экспериментально — ученые обнаружили явление дифракции электрона.

Схема электронного микроскопа. В принципе она не отличается от схемы оптического микроскопа, но роль линз в данном случае выполняют специальные электромагнитные катушки.

Однако от идеи микроскопа до ее практического осуществления было еще далеко. Ученым предстояло создать второй необходимый компонент электронного микроскопа — линзы. Ведь обычные линзы непригодны для преломления электронных пучков. К счастью, с такими линзами дело обстояло гораздо проще, чем в случае рентгеновских лучей, ибо, в отличие от электромагнитных волн, электронные пучки могут отклоняться в электрическом и магнитном поле.

Разработка теории и практическое осуществление различных систем электронной оптики заняли немало времени, и только к началу второй мировой войны были созданы первые более или менее удовлетворительные образцы электронных микроскопов. В них лучи света были заменены пучками электронов, а стеклянные линзы — системами электромагнитных катушек и электродов, подключенных к источникам электрического напряжения. Но ход лучей-электронов и электронно-оптическая схема в этом микроскопе оставались такими же, как и в оптическом.

Электронный микроскоп.

Конечно, конструкция нового типа микроскопа совершенно иная. Электронный микроскоп значительно сложнее и по своим размерам гораздо больше оптического. Это прежде всего объясняется тем, что пучок электронов может беспрепятственно перемещаться только в пустоте. Поэтому в трубе электронного микроскопа поддерживается очень высокий вакуум. Свет не может не двигаться, а электроны обязательно нужно ускорять. Для этого в электронном микроскопе имеется специальная ускоряющая система, на которую от высоковольтного источника подается электрическое напряжение. Так, в электронном микроскопе типа «УЭМ-100» это напряжение достигает 100 тысяч вольт. Длина волны, связанной с электроном, при таком ускоряющем напряжении равна всего лишь 0,039 ангстрема, или 3,9∙10 -10сантиметра.

Если бы разрешающая способность в электронном микроскопе ограничивалась только явлением дифракции, то можно было бы рассматривать даже молекулы. К сожалению, разрешающую способность значительно снижают сами линзы микроскопа. По своим качествам они несравненно хуже оптических, и в настоящее время еще не найдены пути устранения их недостатков. Поэтому разрешающая способность современных электронных микроскопов далека еще от теоретически возможного предела и пока достигает только единиц ангстремов. Но и эта величина в несколько сот раз превышает разрешающую способность оптических микроскопов. Кроме того, в некоторых типах электронных микроскопов, помимо обычных наблюдений, можно также проводить и дифракционные исследования. Получающиеся при этом изображения дифракционных картин — электронограммы — дают ученым возможность изучать строение кристаллов и молекул, недоступное иным способам наблюдения.

Увеличение современных электронных микроскопов достигает многих десятков тысяч. Оно является произведением двух увеличений — электронно-оптического и фотографического. В электронном микроскопе типа «УЭМ-100» изображение фотографируется на пластинку размером 6х9 сантиметров. При печати это изображение может быть дополнительно увеличено. Общее увеличение в 50–75 тысяч раз еще не является пределом.

Такое увеличение необычайно велико. Для того чтобы вы лучше представили себе это, стоит сказать несколько слов о подготовке срезов, которые изучаются с помощью электронного микроскопа. Операция эта очень тонкая, и ее невозможно контролировать даже с помощью сильного оптического микроскопа. Рассматриваемый на просвет срез должен иметь очень малую толщину. Толщина, если в данном случае можно воспользоваться этим словом, среза может достигать всего лишь 10 миллимикронов, то есть она в 38 раз меньше самой короткой длины волны видимого света. Такая величина находится на пределе разрешающей способности электронного микроскопа.

Такие сверхтонкие срезы делаются с помощью специального устройства, так называемого ультрамикротома. Ультрамикротом позволяет делать срезы толщиной от 10 до 150 миллимикронов, причем она может устанавливаться в указанных пределах с точностью до 5 миллимикронов. Это точность, которой пока не требуется даже в самых новейших металлообрабатывающих станках. Ножи ультрамикротома, сделанные из специального стекла или алмаза, позволяют делать срезы не только мягких тканей, но даже и металлов. Максимальная площадь поверхности среза достигает размеров 3х4 миллиметра.

Здесь помещены изображения различных объектов электронной микроскопии и одна электронограмма.

Негативное изображение клетки листа томата, пораженного вирусом табачной мозаики. Фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР.

Бактерии и фаговые частицы. Фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР.

Кристаллы бета-каротина. Эта фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР.