Изобретение электронного микроскопа стало важным этапом в развитии науки и техники. Этот прибор дал людям возможность рассмотреть ультравирусы и структуру металлов и атомов. Аппарат активно используется в криобиологии, вирусологии, токсикологии и множестве других сфер. Он позволяет получать трехмерные изображения на уровне атомов. При этом далеко не каждому известно, кто конкретно изобрел электронный микроскоп.
Открытие электронов
Прежде чем появился электронный микроскоп, были открыты электроны. Представление о них как об отдельных частицах, которые способны перемещаться с большой скоростью в пустоте, создали английские исследователи Крукс и Томсон. Это произошло благодаря проведению ряда опытов по перемещению электричества через очень разреженные газы.
При проведении своих исследований Крукс размещал металлическую пластину в стеклянной трубке, из которой выкачивал газ, и заряжал ее до высокого напряжения отрицательным электричеством. При высоком напряжении из пластинки в разные стороны начинали исходить лучи, невидимые глазу. При этом они заставляли стекло трубки светиться зеленым.
Чтобы выявить эти лучи, между пластиной и стеклом требовалось установить определенный предмет. Благодаря этому на стекле формировалась тень. Ее внешний вид прямо указывал, что из пластины по прямым линиям исходят определенные лучи, которые вызывают свечение стекла.
Для исследования особенностей таких лучей ученые проводили много интересных опытов. Благодаря экспериментам исследователей удалось установить, что лучи представляют собой летящие с большой скоростью частицы электричества. Они получили название электронов.
Как люди научились управлять электронами
Для управления электронами был создан прибор, который состоял из стеклянной трубки с выкачанным воздухом. Она оснащалась несколькими электронами, к которым можно было подводить электрическое напряжение.
Катод имел мощный отрицательный заряд по отношению к аноду. За счет этого из него вылетали электроны. Обычно катод нагревался до высокой температуры. В этом случае напряжение между катодом и анодом существенно уменьшалось.
Электроны летели от электрода в направлении пластины и при этом их скорость постоянно увеличивалась. При наличии отверстия в аноде разогнавшиеся электроны продолжали лететь с определенной скоростью по инерции, образуя прямолинейный пучок.
При размещении вдоль пучка пластинки с веществом, которое может светиться от ударов электронов, он становится заметным и представляет собой узкую светящуюся полоску, указывающую путь электронов.
Появление электронных линз
Управление потоком летящих электронов можно осуществлять при помощи электронной линзы. Для этого был проведен первый важный опыт. Из ряда отверстий устройства выходят несколько пучков электронов, которые расходятся в разные стороны. После чего они проходят через электронную линзу, которая включает заряженные пластинки.
Крайние пластинки линзы отличаются отрицательным зарядом, а средняя – положительным. Пучки электронов отклоняются линзой и пересекаются так, как световые лучи, которые проходят через стеклянное оптическое стекло. При небольшом напряжении пучки становятся параллельными, а при его отсутствии – остаются расходящимися.
На практике выяснилось, что значительно удобнее использовать не заряженные пластинки, а катушки, которые формируют магнитное поле. Воздействие магнитных сил на полет электрона чуть сложнее. Однако, по сути, оно никоим образом не отличается от влияния электрических сил. Электронную линзу можно построить при помощи магнитного поля правильно подобранной катушки.
Когда появилась электронный микроскоп
В 1931 году исследователь Руденберг запатентовал просвечивающий электронный микроскоп, а в 1932 году Кнолль и Руска создали первый прототип современного устройства. В 1986 году Руска получил Нобелевскую премию по физике. Эту награду присудили ученому и создателям сканирующего зондового микроскопа. Ими стали Биннинг и Рорер.
В научных целях электронный микроскоп начали использовать в конце тридцатых годов прошлого века. В тот же период появилось первое коммерческое устройство, созданное компанией Siemens.
В период с конца тридцатых до начала сороковых годов были созданы первые растровые электронные микроскопы, которые формировали изображение объекта при последовательном передвижении электронного зонда небольшого сечения по объекту. Массовое использование таких устройств в научных целях началось в шестидесятых годах. Именно тогда они стали технически совершенными.
Важный скачок в развитии таких устройств случился в семидесятые годы прошлого века. Именно тогда термоэмиссионные катоды были заменены катодами Шоттки и катодами с холодной автоэмиссией. Однако их использование нуждалось в значительно большем вакууме.
В конце 1990 и начале 2000 годов получилось существенно упростить получение цифровых изображений. Этого удалось добиться благодаря компьютеризации и применению ПЗС-детекторов.
В последнее десятилетие в современных электронных микроскопах применяются корректоры сферических и хроматических аберраций, которые создают основные искажения в изображении. Но их использование существенно усложняет применение устройства.
В каких исследованиях его использовали
Многих людей интересует, в каких исследованиях применяли такое устройство. Важный опыт заключался в выполнении снимка электронной линзой с нагретого катода, который покрыт окисью азота, служащей источника электронов.
На изображении можно было увидеть, что лишь некоторые части катода способны испускать электроны. Благодаря размещению пятен можно анализировать строение слоя окиси, что вызывает у исследователей значительный интерес. Дело в том, что окисные катоды используются для катодных радиоламп.
Еще один важный опыт заключался в выполнении тонового снимка решетки из тонкой проволоки. При этом расстояние между ними составляло 0,3 миллиметра. Изображение было получено посредством электронного и светового микроскопов.
Стоит отметить, что обыкновенный световой микроскоп не способен разделить 2 точки или черточки, если интервал между ними составляет менее четверти длины световой волны. Световые волны отличаются заметными размерами, а потому максимальная разрешающая способность составляет 0,4 μ. Электронный микроскоп имеет разрешающую способность, сопоставимую с длиной волны того волнового процесса, который окружает электрон.
На длину волны материи влияет скорость летящего электрона. Чем выше этот показатель, тем меньше длина волны материи. Потому по мере наращивания скорости электронов можно сделать разрешающую способность микроскопа практически безграничной. Согласно теории де Бройля, можно рассчитать, что при скорости электронов на уровне 750 вольт разрешающие возможности устройства составляют 22 ангстрема. При легко достижимом параметре в 75000 вольт этот показатель становится 2 ангстрема. Это означает, что он приближается к размерам атома.
Электронный микроскоп представляет собой важное изобретение, которое используется в разных сферах человеческой жизни. По мере усовершенствования прибора он становится все более популярным и востребованным.
Сообщение появились сначала на .
Комментарии (0)