Реферат: Дифракция электронов. Электронный микроскоп
Примерно к этому же времени относится еще одно событие ⎯ изобретение телескопа, позволившее увидеть невидимое в мире планет и звезд. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой революцию не только в способах изучения природы, но и в самом методе исследования.
[sms]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 "невооруженными" органами чувств и не ставя специальных экспериментов, как это делают сейчас. Вместе с тем наряду с точными фактами и гениальными догадками как много ложных "наблюдений", утверждений и выводов оставили нам ученые древности и средних веков!
Лишь значительно позднее был найден метод изучения природы, заключающийся в постановке сознательно планируемых экспериментов, целью которых является проверка предположений и четко сформулированных гипотез. Особенности этого метода исследования Фрэнсис Бэкон - один из его создателей - выразил в следующих, ставших знаменитыми, словах: "Ставить эксперимент - это учинять допрос природе".Самые первые шаги экспериментального метода по современным представлениям были скромны, и в большинстве случаев экспериментаторы того времени обходились без каких-либо устройств, "усиливающих" органы чувств. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой колоссальное расширение возможностей наблюдения и эксперимента.
Уже первые наблюдения, проведённые с помощью самой простой и несовершенной по современным представлениям техники, открыли "целый мир в капле воды". Оказалось, что знакомые предметы выглядят совсем по-иному, если их рассматривать в микроскоп: гладкие на взгляд и ощупь поверхности оказываются в действительности шероховатыми, в "чистой" воде движутся мириады мельчайших организмов. Точно так же первые астрономические наблюдения с помощью телескопов дали возможность человеку по-новому увидеть привычный мир планет и звёзд: например, поверхность Луны, воспетой поэтами всех поколений, оказалась гористой и испещрённой многочисленными кратерами, ау Венеры была обнаружена смена фаз, как и у Луны.
В дальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизнь самостоятельным областям науки ⎯ микроскопии и наблюдательной астрономии. Пройдут годы, и каждая из этих областей разовьется в многочисленные разветвления, выражающиеся в целом ряде самых различных применений в биологии, медицине, технике, химии, физике, навигации.
Современные микроскопы, которые в отличие от электронных мы будем называть оптическими, представляют собой совершенные приборы, позволяющие получать большие увеличения с высокой разрешающей способностью. Разрешающая способность определяется расстоянием, на котором два соседних элемента структуры могут быть ещё видимы раздельно. Однако, как показали исследования, оптическая микроскопия практически достигла принципиального предела своих возможностей из-за дифракции и интерференции ⎯ явлений, обусловленных волновой природой света.
Степень монохроматичности и когерентности является важной характеристикой волн любой природы (электромагнитных, звуковых и др.). Монохроматические колебания ⎯ это колебания, состоящие из синусоидальных волн одной определённой частоты. Когда мы представляем колебания в виде простой синусоиды соответственно с постоянными амплитудой, частотой и фазой, то это является определённой 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 монохроматичности). Колебания и волны сложной формы можно представить в виде набора синусоидальных колебаний и волн. По сути дела, эту математическую 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 "свет превратится в темноту" или, как говорят, волны могут интерферировать. При интерференции происходят местные "усиления и подавления" волн друг другом. Для того чтобы картина интерференции волн оставалась неизменной с течением времени (например, при рассматривании её глазом 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, непрозрачные предметы, а также любые другие виды неоднородностей на пути распространения волн. В частности, неоднородностями могут быть также и прозрачные (для данного излучения) предметы, но отличающиеся по коэффициенту преломления, а значит, и по скорости прохождения волн внутри них. Явление изменения направления распространения волн при прохождении их вблизи препятствий называют дифракцией. Обычно дифракция сопровождается интерференционными явлениями.
Предел микроскопии.
Изображение, получаемое при помощи любой оптической системы, есть результат интерференции различных частей световой волны, прошедшей через эту систему. В частности, известно, что ограничение световой волны входным зрачком системы (краями линз, зеркал и диафрагм, составляющих оптическую систему) и связанное с ним явление дифракции приводит к тому, что светящаяся точка будет изображена в виде дифракционного кружка. Это обстоятельство ограничивает возможность различать мелкие детали изображения, формируемого оптической системой. Изображение, например, бесконечно удалённого источника света (звезды) в результате дифракции на круглом зрачке (оправе зрительной трубы), представляет собой довольно сложную картину (см. рис. 1). На этой картине можно увидеть набор концентрических светлых и тёмных колец. Распределение освещённостей, которое можно зафиксировать, если двигаться от центра картины к её краям, описывается довольно сложными формулами, которые приводятся в курсах оптики. Однако закономерности, свойственные положению первого (от центра картины) тёмного кольца, выглядят просто. Обозначим через D диаметр входного зрачка оптической системы и через λ длину волны света, посылаемого бесконечно удалённым источником.
Если обозначить через j угол, под которым виден радиус первого тёмного кольца, то как доказывается в оптике sin ϕ≈ 1,22∗(λ/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 явление 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 системы концентрических колец. При определенных условиях они могут перекрываться, и различение источников становится невозможным. Не случайно поэтому в соответствии с "рекомендацией" формулы, приведенной выше, стремятся строить астрономические телескопы с большими размерами входного зрачка. Предел разрешения, при котором могут наблюдаться два близко расположенных источника света, определяют 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.
График, характеризующий распределение интенсивности света при наложении дифракционных картин двух близко расположенных точечных источников света для случая, соответствующего критерию Релея. По оси абсцисс отложена величина, пропорциональная расстоянию от центра (см. рис. 1). Сплошная тонкая крива характеризует распределение интенсивности света, создаваемое первым источником; пунктирная кривая относится ко второму из разрешаемых 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 θ, под которым видны два исследуемых источника света, равен: θ≈ 0,61∗(λ/D). Χасто используется величина А, обратная предельному углу θ:
А=(1/θ)=D/(0,61∗λ), 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 микроскопии. Следует подчеркнуть, что приведённая формула соответствует случаю самосветящихся объектов, посылающих некогерентные волны. Как известно, с помощью микроскопов часто рассматривают объекты, освещаемые посторонним источником; это значит, что отдельные точки объекта рассеивают световые волны, исходящие из одной 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 освещения, проводимое по методу Аббе, приводит к аналогичному результату (некоторое различие в численных коэффициентах несущественно, поскольку вообще понятие разрешающей способности несколько условно).
Предельную разрешающую способность микроскопа часто называют дифракционным пределом, поскольку она определяется явлениями дифракции на входном зрачке. Правда, ряд остроумных ухищрений позволил "заглянуть" несколько дальше этого предела. Здесь следует упомянуть метод, основанный на применении иммерсионных систем (в котором пространство между предметом и объективом заполняется специальными средами) и позволяющий повысить разрешающую способность примерно в 1,5 раза; метод тёмного поля, основанный 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. [/sms]
