Всем известно о существовании и назначении оптических микроскопов. Но с их помощью нельзя рассмотреть отдельные атомы вещества. Это связано с дифракционным пределом – невозможность рассмотреть отдельно друг от друга два объекта, расстояние между которыми меньше, чем d=0.61λ/n (λ–длина волны излучения, n– показатель преломления среды). Длина видимого света, воспринимаемая глазом человека, составляет 400–700 нм. Обычно размер клеток варьируется от нескольких сотен до нескольких тысяч нанометров, поэтому их можно разглядеть в оптический микроскоп. А вот размеры атомов и молекул составляют меньше 1 нм, и поэтому в оптический микроскоп их разглядеть не представляется возможным.
Чтобы преодолеть эту трудность, необходимо использовать излучение с меньшей длиной волны. Выход был найден в 30-х годах XX века, когда немецкие ученые Эрнст Кнолл и Макс Руска создали микроскоп, в котором вместо света использовали поток электронов. В основе электронного микроскопа лежит утверждение Луи де Бройля о дуализме элементарных частиц, согласно которому движущийся электрон одновременно является и частицей, и волной.
В электронном микроскопе электроны сначала ускоряются в электрическом поле. Длина волны ускоренных таким образом электронов может составлять несколько сотых долей ангстрема (т.е. быть порядка 10-12м). Поток электронов поступает yэлектромагнитную линзу, представляющую собой катушку с намотанным изолированном проводом. Изменяя силу тока в катушках, можно управлять магнитными полями, а значит, изменять траектории электронов и очень точно фокусировать их поток. После этого электронный пучок попадает на исследуемый объект, а затем в объектив. При этом внутри микроскопа поддерживается высокий вакуум.
В электронной микроскопии выделяют два основных метода исследования:
1. растровая электронная микроскопия (РЭМ) – метод анализа поверхности образцов при сканировании выделенного участка сфокусированным потоком ускоренных электронов. В результате взаимодействия пучка с образцом, электроны попадают на детектор и изображение считывается с поверхности образца «строка за строкой» и выводится на монитор. С помощью этого метода можно получить информацию не только о рельефе поверхности и размере частиц, но и о химическом составе образца и кристаллических фазах, находящихся на поверхности. Первый растровый микроскоп сконструировал Эрнст Руска. Современные растровые микроскопы позволяют получать изображения поверхности образца с разрешением до 1 нм. Схема устройства растрового электронного микроскопа представлена на рис. 1;
2. просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) – метод анализа внутренней микроструктуры и размера ультратонких образцов (тоньше 100 нм), который осуществляется облучением исследуемой области потоком ускоренных электронов. По полученному изображению можно судить о форме и размерах частиц, из которых состоит образец. Также с помощью электронного микроскопа получают дифракционную картину от упорядоченной структуры атомов, из которой можно извлечь информацию о кристаллических фазах. Первый просвечивающий микроскоп сконструировали Герд Биннинг и Генрих Рорер. Разрешение современных электронных микроскопов настолько высоко, что позволяют практически увидеть отдельные атомы. Схема просвечивающего электронного микроскопа представлена на рис. 2.
Растровая электронная микроскопия может объяснить, как произошло разрушение в исследуемом материале изделия, как металлическая поверхность детали откликается на термопластическое воздействие внешней среды, а просвечивающая электронная микроскопия может объяснить, почему это происходит, как этому способствует структурно-фазовое состояние материала. При помощи электронных микроскопов возможно увидеть невидимые ранее бактерии, изучить строение возбудителей многих заболеваний, изучить опасные вирусы (грипп, корь, бешенство и др.)