Существует несколько способов изучения микромира, один из наиболее популярных, это увеличение масштаба при помощи микроскопа. Но у обычных микроскопов есть одно существенное ограничение: длина волны видимого излучения. То есть, по факту, разрешающая способность ограничивается длиной волны излучения, с помощью которого мы исследуем объект (мы не сможем исследовать объект меньший, чем длина волны излучения).
Для повышения этой характеристики можно применять другой диапазон излучения, например, рентгеновский или гамма. Но проблема кроется в высокой проникающей способности такого излучения. Куда проще использовать поток высокоэнергетических электронов. Микроскопы, работающие на таком принципу называются электронными. Давайте поподробнее поговорим о таком устройстве.
Существует 2 типа таких устройств: просвечивающий и сканирующий электронный микроскоп.
Принцип просвечивающего электронного микроскопа основан на использовании пучка высокоэнергетических электронов. Пучок создается с помощью катода, а затем ускоряется до 80 – 200 кэВ. После этого он фокусируется системой магнитных линз и пропускается через ультратонкий (толщина не более 0.1 мкм) образец. При этом часть электронов рассеивается на нем, а часть – нет. Таким образом, электронный пучок содержит информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на фотоэкране или ПЗС-камере.
Одним из основных недостатков просвечивающего электронного микроскопа является необходимость в чрезвычайно тонких срезах образцов, обычно около 100 нанометров. Создание этих тонких срезов, например для биологических и материальных образцов технически очень сложно.
Сканирующий электронный микроскоп
Принцип действия схож с принципом действия просвечивающего электронного микроскопа. Однако, в данном случае происходит фиксация отраженных, вторичных электронов и характеристического рентгеновского излучения, поэтому нет необходимости делать тонкий срез образца.
Попав на образец часть электронов просто отражаются – это отраженные электроны. Другая часть электронов не просто сталкивается с атомом образца, а выбивает из него электроны, находящих на самом высоком энергетическом уровне, так образуются вторичные электроны с меньшей энергией чем у электронов, которые прилетели из пушки. А часть электронов выбивает электроны, расположенные на низких энергетических уровнях. Тем самым образуется свободное место, которое занимают электроны с более высоких уровней. В результате такого перехода происходит испускание энергии в виде кванта характеристического рентгеновского излучения.
Для каждого элемента таблицы Менделеева образуется свой уникальный квант рентгеновского излучения, поэтому он и называется характеристическим, так как он уникален для каждого элемента. Внутри микроскопа глубокий вакуум, это нужно для того, чтобы сократить до минимума рассеивание электронов с частицами воздуха. Необходимо, чтобы все электроны долетели до образца.
Преимущество электронного микроскопа перед оптическим заключается в существовании оптического предела. Длина волны фотонов не позволяет рассмотреть объект размером меньше 0.2 мкм, для этого требуется меньшая длина волны. По этой причине в электронном микроскопе используют электроны, а не фотоны, откуда вытекает название микроскопа. Электронный микроскоп позволяет не только рассматривать образцы размером меньше мкм, но также увеличить резкость изображения, однако из-за этого пропадает цвет изображения. Так как в электронном микроскопе используются моноэнергетические электроны, их де-бройлевская длина волны одинакова. А мы помним, что цвет является результатом восприятия нашим глазом электромагнитных волн в некотором диапазоне длин волн.
Электронный микроскоп используется во многих областях: электроника (анализ дефектов микросхем и т.п.), биология (анализ частиц, клеточная томография и т.п.), научные исследования и т.д.
Спасибо за внимание! Надеюсь данная статья была интересной для вас и вы узнали что-то новое. Не забывайте ставить пальцы вверх и подписываться на канал, если все еще не сделали этого!