Реферат: Физика микромира
Содержание:
Путь микроскопии 3
Предел микроскопии 5
Невидимые излучения 7
Электроны и электронная оптика 9
Электроны Ч волны!? 12
Устройство электронного микроскопа 13
Объекты электронной микроскопии 15
Виды электронных микроскопов 17
Особенности работы с электронным микроскопом
21
Пути преодоления дифракционного предела электронной
микроскопии 23
Список литературы 27
Рисунки 28
Примечания:
1. Символ н означает возведение в степень. Например, 2
н3 означает л2 в степени 3.
2. Символ e означает запись числа в показательной форме.
Например, 2e3 означает л2, умноженное на 10 в 3 степени.
3. Все рисунки находятся на последней странице.
4. Вследствие использования не совсем лсвежей литературы данные
в этом реферате не отличаются особой лсвежестью.
Глаз не видел бы Солнца,
если бы он не был подобен
Солнцу.
Гёте.
Путь микроскопии.
Когда на пороге XVII столетия был создан первый микроскоп, вряд ли кто-либо
(и даже его изобретатель) мог представить будущие успехи и многочисленные
области применения микроскопии. Оглядыванясь назад, мы убеждаемся, что это
изобретение знаменовало собой нечто большее, чем создание нового устройства:
впервые человек понлучил возможность увидеть ранее невидимое.
Примерно к этому же времени относится еще одно событие ¾ изобретение
телескопа, позволившее увидеть невидимое в мире планнет и звезд. Изобретение
микроскопа и телескопа представляло собой революцию не только в способах
изучения природы, но и в самом ментоде исследования.
Действительно, натурфилософы древности наблюдали природу, узнавая о ней
только то, что видел глаз, чувствовала кожа, слышало ухо. Можно лишь
удивляться тому, как много правильных сведений об окружающем мире получили
они, пользуясь лневооруженными органнами чувств и не ставя специальных
экспериментов, как это делают сейчас. Вместе с тем наряду с точными фактами и
гениальными донгадками как много ложных лнаблюдений, утверждений и выводов
оснтавили нам ученые древности и средних веков!
Лишь значительно позднее был найден метод изучения принроды, заключающийся в
постановке сознательно планируемых экспенриментов, целью которых является
проверка предположений и четко сформулированных гипотез. Особенности этого
метода исследования Фрэнсис Бэкон - один из его создателей - выразил в
следующих, ставнших знаменитыми, словах: лСтавить эксперимент - это учинять
допрос природе.Самые первые шаги экспериментального метода по совренменным
представлениям были скромны, и в большинстве случаев экснпериментаторы того
времени обходились без каких-либо устройств, лусиливающих органы чувств.
Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой колоссальное расширение
возможностей наблюндения и эксперимента.
Уже первые наблюдения, проведённые с помощью самой простой и несовершенной по
современным представлениям техники, открыли лцелый мир в капле воды.
Оказалось, что знакомые предметы выгляндят совсем по-иному, если их
рассматривать в микроскоп: гладкие на взгляд и ощупь поверхности оказываются
в действительности шерохонватыми, в лчистой воде движутся мириады мельчайших
организмов. Точно так же первые астрономические наблюдения с помощью
теленскопов дали возможность человеку по-новому увидеть привычный мир планет
и звёзд: например, поверхность Луны, воспетой поэтами всех поколений,
оказалась гористой и испещрённой многочисленными крантерами, а у Венеры была
обнаружена смена фаз, как и у Луны.
В дальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизнь самонстоятельным областям
науки ¾ микроскопии и наблюдательной аснтрономии. Пройдут годы, и
каждая из этих областей разовьется в мнонгочисленные разветвления,
выражающиеся в целом ряде самых разнличных применений в биологии, медицине,
технике, химии, физике, нанвигации.
Современные микроскопы, которые в отличие от электронных мы будем называть
оптическими, представляют собой совершенные принборы, позволяющие получать
большие увеличения с высокой разреншающей способностью. Разрешающая
способность определяется раснстоянием, на котором два соседних элемента
структуры могут быть ещё видимы раздельно. Однако, как показали исследования,
оптиченская микроскопия практически достигла принципиального предела своих
возможностей из-за дифракции и интерференции ¾ явлений, обусловленных
волновой природой света.
Степень монохроматичности и когерентности является важной характеристикой
волн любой природы (электромагнитных, звуковых и др.). Монохроматические
колебания ¾ это колебания, состоящие из синусоидальных волн одной
определённой частоты. Когда мы преднставляем колебания в виде простой
синусоиды соответственно с понстоянными амплитудой, частотой и фазой, то это
является опреденлённой идеализацией, так как, строго говоря, в природе не
существует колебаний и волн, абсолютно точно описываемых синусоидой. Однако,
как показали исследования, реальные колебания и волны могут с большей или
меньшей степенью точности приближаться к идеальной синусоиде (обладать
большей или меньшей степенью монохроматичнности). Колебания и волны сложной
формы можно представить в виде набора синусоидальных колебаний и волн. По
сути дела, эту математинческую операцию осуществляет призма, разлагающая в
цветной спектр солнечный свет.
Монохроматические волны, в том числе и световые, одной и той же частоты (при
определённых условиях!) могут взаимодействовать между собой таким образом,
что в результате лсвет превратится в темноту или, как говорят, волны могут
интерферировать. При интернференции происходят местные лусиления и
подавления волн друг другом. Для того чтобы картина интерференции волн
оставалась ненизменной с течением времени (например, при рассматривании её
гланзом или фотографировании), необходимо, чтобы волны были между собой
когерентны (две волны когерентны между собой, если они дают устойчивую
картину интерференции, чему соответствуют равенства их частот и неизменный
сдвиг фаз).
Если на пути распространения волн поместить препятствия, то они будут
существенно влиять на направление распространения этих волн. Такими
препятствиями могут быть края отверстий в экранах, ненпрозрачные предметы, а
также любые другие виды неоднородностей на пути распространения волн. В
частности, неоднородностями могут быть также и прозрачные (для данного
излучения) предметы, но отлинчающиеся по коэффициенту преломления, а значит,
и по скорости пронхождения волн внутри них. Явление изменения направления
распронстранения волн при прохождении их вблизи препятствий называют
дифракцией. Обычно дифракция сопровождается интерференционнными явлениями.
Предел микроскопии .
Изображение, получаемое при помощи любой оптической сиснтемы, есть результат
интерференции различных частей световой волны, прошедшей через эту систему. В
частности, известно, что огранничение световой волны входным зрачком системы
(краями линз, зернкал и диафрагм, составляющих оптическую систему) и
связанное с ним явление дифракции приводит к тому, что светящаяся точка будет
изонбражена в виде дифракционного кружка. Это обстоятельство огранинчивает
возможность различать мелкие детали изображения, форминруемого оптической
системой. Изображение, например, бесконечно удалённого источника света
(звезды) в результате дифракции на кругнлом зрачке (оправе зрительной трубы),
представляет собой довольно сложную картину (см. рис. 1). На этой картине
можно увидеть набор концентрических светлых и тёмных колец. Распределение
освещённонстей, которое можно зафиксировать, если двигаться от центра
карнтины к её краям, описывается довольно сложными формулами, котонрые
приводятся в курсах оптики. Однако закономерности, свойственнные положению
первого (от центра картины) тёмного кольца, выглядят просто. Обозначим через
D диаметр входного зрачка оптической сиснтемы и через l длину волны света,
посылаемого бесконечно удалённным источником.
Рис. 1. Дифракционное изображение светящейся точки (так называемый диск Эйри).
Если обозначить через j угол, под которым виден радиус первого тёмного
кольца, то как доказывается в оптике
sin j 1,22*(l/D).
Таким образом, в результате ограничения волнового фронта краями оптической
системы (входным зрачком) вместо изображения светящейся точки,
соответствующей бесконечно удаленному объекту, мы получаем набор
дифракционных колец. Естественно, что это явленние ограничивает возможность
различения двух близко расположенных точечных источников света.
Действительно, в случае двух удаленных источников, например двух звезд,
расположенных очень близко друг к другу на небесном своде, в плоскости
наблюдения образуются две сиснтемы концентрических колец. При определенных
условиях они могут перекрываться, и различение источников становится
невозможным. Не случайно поэтому в соответствии с лрекомендацией формулы,
привенденной выше, стремятся строить астрономические телескопы с больншими
размерами входного зрачка. Предел разрешения, при котором могут наблюдаться
два близко расположенных источника света, опренделяют следующим образом: для
определенности в качестве предела разрешения принимают такое положение
дифракционных изображений двух точечных источников света, при котором первое
тёмное кольцо, создаваемое одним из источников, совпадает с центром светлого
пятна, создаваемого другим источником.
Рис. 2. Кривая распределения интенсивности в дифракнционной картине от двух
точечных источников света.
d ¾ расстояние между центральными максимумами, M ¾ увелинчение
оптической системы.
На рис. 2 приведён график, характеризующий распределение иннтенсивности света
при наложении дифракционных картин двух близко расположенных точечных
источников света для случая, соответствуюнщего критерию Релея. По оси абсцисс
отложена величина, пропорционнальная расстоянию от центра (см. рис. 1).
Сплошная тонкая крива ханрактеризует распределение интенсивности света,
создаваемое пернвым источником; пунктирная кривая относится ко второму из
разреншаемых источников. Первые максимумы по высоте (т.е. интенсивности)
заметно выше последующих, соответствующих интенсивности света в кольцах,
удалённых от центра (см. рис. 1). Сплошная толстая кривая характеризует
суммарное распределение интенсивности света.
Теория показывает, что в случае разрешения по критерию Релея угол q, под
которым видны два исследуемых источника света, равен:
q 0,61*(l/D). Часто используется величина А, обратная предельному углу q:
А=(1/q)=D/(0,61*l),
носящая название разрешающей силы оптической системы.
Приведённые основные закономерности обусловлены волновой природой света и
ограничивают возможность разрешения источников с помощью любых оптических
систем, в том числе в астрономии и микнроскопии. Следует подчеркнуть, что
приведённая формула соответстнвует случаю самосветящихся объектов, посылающих
некогерентные волны. Как известно, с помощью микроскопов часто рассматривают
объекты, освещаемые посторонним источником; это значит, что отндельные точки
объекта рассеивают световые волны, исходящие из однной и той же точки
источника, и свет, идущий от разных точек объекта, оказывается поэтому в
значительной мере когерентным. Определение разрешающей способности микроскопа
в случае когерентного освещенния, проводимое по методу Аббе, приводит к
аналогичному результату (некоторое различие в численных коэффициентах
несущественно, понскольку вообще понятие разрешающей способности несколько
уснловно).
Предельную разрешающую способность микроскопа часто назынвают дифракционным
пределом, поскольку она определяется явленниями дифракции на входном зрачке.
Правда, ряд остроумных ухищренний позволил лзаглянуть несколько дальше этого
предела. Здесь следует упомянуть метод, основанный на применении иммерсионных
систем (в котором пространство между предметом и объективом занполняется
специальными средами) и позволяющий повысить разреншающую способность
примерно в 1,5 раза; метод тёмного поля, оснонванный на явлении рассеяния
света на малых частицах и позволяющий регистрировать наличие сверхмалых
частиц, когда их размеры лежат за пределом разрешающей способности
микроскопа; метод фазового контраста, при помощи которого можно изучать
полностью прозрачные объекты.
Невидимые излучения.
Пользуясь современным языком теории информации, можно сканзать, что за
попытку проникнуть за дифракционный предел приходится платить ценой потери
информации о деталях изучаемого объекта. Действительно, методы субмикроскопии
позволяют лишь судить о нанличии микрообъектов в поле зрения микроскопа, но
не об их форме и других деталях.
Весьма заметный качественный скачок в методах микроскопии был сделан
физиками, которые стали использовать в микроскопии инфракрасное,
ультрафиолетовое и другие невидимые глазом излученния. Применение этих
излучений для освещения объектов наблюдения было связано с их способностью
поглощать, отражать, пропускать и преломлять падающее на них излучение.
Поэтому, вообще говоря, при использовании излучений различных участков
спектра эти объекты вынглядят по-разному. Следовательно, подбирая
соответствующее освенщение, можно получить новую информацию о предмете, так
как характеристики поглощения, отражения, пропускания и преломления реальных
неорганических и органических веществ зависят от длины волны.
Наряду с этим следует отметить, что использование в микронскопии
ультрафиолетового излучения (более коротковолнового по сравнению с видимым)
позволило повысить предел разрешающей спонсобности микроскопа. Это легко
понять, если вспомнить, что теоретинческий предел разрешающей способности
пропорционален длине волны источника излучения. Если при l 5200 ¾ 5800
A
