9.8.3. Электронная микроскопия Предел разрешения электронного микроскопа.

Для уменьшения предела разрешения микроскопа надо уменьшить длину волны. В спектре электромагнитных колебаний самым коротковолновым является рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи не могут быть использованы в микроскопе, так как для них не найден эквивалент линзы. В электронном микроскопе вместо потока света используется поток электронов. Пучок электронов отклоняется электрическим или магнитным полем. Разрешающая способность электронного микроскопа значительно выше, чем оптического. Поэтому в электронный микроскоп можно увидеть коллоидную частицу. Изображение в электронном микроскопе формируется при помощи электронного пучка. Электрон обладает свойствами, как волны, так и частицы. Согласно уравнению де Бройля, длина волны электрона , где – постоянная Планка, равная ; – масса электрона, равная ; – скорость электрона, зависящая от ускоряющего напряжения . Изменяя ускоряющее напряжение, можно изменить длину волны электрона. При . Предел разрешения при равен .

В электронном микроскопе нельзя работать при большом значении апертурного угла, так как происходит сильное искажение изображения. Поэтому применяют апертурный угол, не превышающий 10^-2 радиан. При этом значении апертурного угла и предел разрешения электронного микроскопа равен . При , равном , . При значении апертурного угла 0,02 рад разрешающее расстояние микроскопа достигает . Если предел разрешения электронного микроскопа принять равным , а светового – , то количество информации, получаемое с помощью электронного микроскопа, превышает количество информации, получаемое с помощью светового, в 10⁶ раз.

Взаимодействие электронов с объектом.

Для понимания формирования изображения в электронном микроскопе необходимо рассмотреть основные физические процессы, происходящие при прохождении пучка электронов через объект.

Рис. 9.8. Прохождение электронов через образец.

При прохождении через образец электроны сталкиваются с атомами вещества, из которого состоит образец. Соударения могут быть упругими ( ), то есть не связанными с потерей энергии электрона, и неупругими ( ), при которых электрон теряет часть своей энергии. В обоих случаях направление движения электронов изменяется. Часть электронов проходит через объект без соударений с атомами и не меняет своего первоначального направления. В формировании изображения в электронном микроскопе принимают участие электроны, рассеянные вследствие упругих соударений.

Кроме того, при взаимодействии электронов с атомами образуются вторичные электроны и -кванты, используемые в сканирующей электронной микроскопии.

Формирование изображения в электронном микроскопе.

Принципы, на которых основано формирование изображения в световом и электронном микроскопе, различны. В световом микроскопе изображение образуется вследствие различного поглощения света различными участками объекта. В электронном микроскопе изучают такие объекты, которые прозрачны для электронов, ибо поглощение электронов вызывает нагревание и разложение образца. Это достигается применением ультратонких образцов.

Образование изображения в электронном микроскопе связано с различным рассеянием электронов разными участками объекта. Количество соударений электронов с атомами объекта зависит от толщины объекта, его плотности и скорости электронов. Угол отклонения электрона от первоначального направления тем больше, чем тяжелее атом (больше его порядковый номер) и чем больше путь электрона, то есть толщина образца. Зависимость угла отклонения электронов от названных величин выражается формулой

где – толщина образца; – атомный номер элемента; – ускоряющее напряжение; – константа.

Схема формирования изображения в электронном микроскопе показана на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Схема формирования изображения в электронном микроскопе просвечивающего типа.

В формировании изображения большое значение имеет апертурная диафрагма, имеющая очень малый диаметр (порядка нескольких сотых мм). Даже при небольшом рассеянии через диафрагму проходит только часть электронов, остальные задерживаются ею. Чем больше толщина объекта, тем на большие углы рассеиваются электроны и меньше электронов проходит через диафрагму и попадает на флюоресцирующий экран. Пучок электронов в точке , прошедший наиболее толстую часть образца и имеющий наибольший угол рассеяния, доходит до экрана значительно ослабленным. В этом месте интенсивность свечения экрана мала. Пучок электронов, прошедший через тонкую часть объекта в точке рассеивается на меньший угол, поэтому через отверстие диафрагмы проходит больше электронов, что вызывает более яркое свечение экрана в точке . В точке , где объект отсутствует, пучок электронов попадает на экран без заметного рассеяния. экран в точке будет светиться с наибольшей яркостью. Таким образом, толстые и плотные участки выглядят на экране более темными по сравнению с тонкими и менее плотными участками, то есть создается контрастное изображение.