Реферат: Дифракция электронов. Электронный микроскоп

Государственный комитет

Российской Федерации по высшему образованию.

Кафедра общей физики.

Реферат на тему:

«Дифракция электронов.

Электронный микроскоп».

Факультет:АВТ.

Кафедра:АСУ.

Группа:А-513.

Студент:Борзов Андрей Николаевич.

Преподаватель:Усольцева Нелли Яковлевна.

Дата:1 декабря 1996 г.

Новосибирск-96.

Содержание:

·

Путь микроскопии 3

·

Предел микроскопии 5

·

Невидимые излучения 7

·

Электроны и электроннаяоптика 9

·

Электроны — волны!? 12

·

Устройство электронногомикроскопа 13

·

Объекты электронноймикроскопии 15

·

Виды электронныхмикроскопов 17

·

Особенности работы сэлектронным микроскопом 21

·

Пути преодолениядифракционного предела электронной микроскопии 23

·

Список литературы 27

·

Рисунки 28

Примечания:

1.Символ

означает возведение в степень. Например, 23 означает «2 в степени 3».

2.Символ eозначает запись числа впоказательной форме. Например, 2e3означает «2, умноженное на10 в 3 степени».

3.Все рисунки находятся на последней странице.

4.Вследствие использования не совсем «свежей»литературы данные в этом реферате не отличаются особой «свежестью».

Глаз невидел бы Солнца,

если бы онне был подобен

Солнцу.

Гёте.

Путь микроскопии.

Когдана пороге XVII столетия был созданпервый микроскоп, вряд ли кто-либо (и даже его изобретатель) мог представитьбудущие успехи и многочисленные области применения микроскопии. Оглядываясьназад, мы убеждаемся, что это изобретение знаменовало собой нечто большее, чемсоздание нового устройства: впервые человек получил возможность увидеть ранееневидимое.

Примернок этому же времени относится еще одно событие

¾изобретение телескопа, позволившее увидеть невидимое в мире планет и звезд.Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой революцию не только вспособах изучения природы, но и в самом методе исследования.

Действительно,натурфилософы древности наблюдали природу, узнавая о ней только то, что виделглаз, чувствовала кожа, слышало ухо. Можно лишь удивляться тому, как многоправильных 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 среднихвеков!

Лишьзначительно позднее был найден метод изучения природы, заключающийся впостановке сознательно планируемых экспериментов, целью которых являетсяпроверка предположений и четко сформулированных гипотез. Особенности этогометода исследования Фрэнсис Бэкон — один из его создателей — выразил вследующих, ставших знаменитыми, словах: «Ставить эксперимент — это учинятьдопрос природе».Самые первые шаги экспериментального метода по современнымпредставлениям были скромны, и в большинстве случаев экспериментаторы тоговремени обходились без каких-либо устройств, «усиливающих» органы чувств.Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой колоссальное расширениевозможностей наблюдения и эксперимента.

Ужепервые наблюдения, проведённые с помощью самой простой и несовершенной посовременным представлениям техники, открыли «целый мир в капле воды».Оказалось, что знакомые предметы выглядят совсем по-иному, если ихрассматривать в микроскоп: гладкие на взгляд и ощупь поверхности оказываются вдействительности шероховатыми, в «чистой» воде движутся мириады мельчайшихорганизмов. Точно так же первые астрономические наблюдения с помощью телескоповдали возможность человеку по-новому увидеть привычный мир планет и звёзд:например, поверхность Луны, воспетой поэтами всех поколений, оказалась гористойи испещрённой многочисленными кратерами, а у Венеры была обнаружена смена фаз,как и у Луны.

Вдальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизнь самостоятельным областямнауки

¾микроскопии и наблюдательной астрономии. Пройдут годы, и каждая из этихобластей разовьется в многочисленные разветвления, выражающиеся в целом рядесамых различных применений в биологии, медицине, технике, химии, физике, навигации.

Современныемикроскопы, которые в отличие от электронных мы будем называть оптическими,представляют собой совершенные приборы, позволяющие получать большиеувеличения с высокой разрешающей способностью. Разрешающая способностьопределяется расстоянием, на котором два соседних элемента структуры могутбыть ещё видимы раздельно. Однако, как показали исследования, оптическаямикроскопия практически достигла принципиального предела своих возможностейиз-за дифракции и интерференции

¾явлений, обусловленных волновой природой света.

Степеньмонохроматичности и когерентности является важной характеристикой волн любойприроды (электромагнитных, звуковых и др.). Монохроматические колебания

¾это колебания, состоящие из синусоидальных волн одной определённой частоты.Когда мы представляем колебания в виде простой синусоиды соответственно с постояннымиамплитудой, частотой и фазой, то это является определённой идеализацией, таккак, строго говоря, в природе не существует колебаний и волн, абсолютно точноописываемых синусоидой. Однако, как показали исследования, реальные колебания иволны могут с большей или меньшей степенью точности приближаться к идеальнойсинусоиде (обладать большей или меньшей степенью монохроматичности). Колебанияи волны сложной формы можно представить в виде набора синусоидальных колебанийи волн. По сути дела, эту математическую операцию осуществляет призма,разлагающая в цветной спектр солнечный свет.

Монохроматическиеволны, в том числе и световые, одной и той же частоты (при определённых условиях!)могут взаимодействовать между собой таким образом, что в результате «светпревратится в темноту» или, как говорят, волны могут интерферировать. При интерференциипроисходят местные «усиления и подавления» волн друг другом. Для того чтобыкартина интерференции волн оставалась неизменной с течением времени (например,при рассматривании её глазом или фотографировании), необходимо, чтобы волныбыли между собой когерентны (две волны когерентны между собой, если они даютустойчивую картину интерференции, чему соответствуют равенства их частот инеизменный сдвиг фаз).

Еслина пути распространения волн поместить препятствия, то они будут существенновлиять на направление распространения этих волн. Такими препятствиями могутбыть края отверстий в экранах, непрозрачные предметы, а также любые другиевиды 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 скоростипрохождения волн внутри них. Явление изменения направления распространенияволн при прохождении их вблизипрепятствий называют дифракцией. Обычно дифракция сопровождается интерференционнымиявлениями.

Предел микроскопии .

Изображение,получаемое при помощи любой оптической системы, есть результат интерференцииразличных 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 явлениедифракции приводит к тому, что светящаяся точка будет изображена в видедифракционного кружка. Это обстоятельство ограничивает возможность различатьмелкие детали изображения, формируемого оптической системой. Изображение,например, бесконечно удалённого источника света (звезды) в результате дифракциина круглом зрачке (оправе зрительной трубы), представляет собой довольносложную картину (см. рис. 1). На этой картине можно увидеть наборконцентрических светлых и тёмных колец. Распределение освещённостей, котороеможно зафиксировать, если двигаться от центра картины к её краям, описываетсядовольно сложными формулами, которые приводятся в курсах оптики. Однакозакономерности, свойственные положению первого (от центра картины) тёмногокольца, выглядят просто. Обозначим через D диаметр входного зрачка оптическойсистемы и через

lдлину волны света, посылаемого бесконечно удалённым источником.

Рис. 1. Дифракционноеизображение светящейся точки (так называемый диск Эйри).

Еслиобозначить через j угол, под которым виден радиус первого тёмного кольца, токак доказывается в оптике

sin

j » 1,22*(l/D).

Такимобразом, в результате ограничения волнового фронта краями оптической системы(входным зрачком) вместо изображения светящейся точки, соответствующейбесконечно удаленному объекту, мы получаем набор дифракционных колец.Естественно, что это явление ограничивает возможность различения двух близкорасположенных точечных источников света. Действительно, в случае двух удаленныхисточников, например двух звезд, расположенных очень близко друг к другу нанебесном своде, в плоскости наблюдения образуются две системы концентрическихколец. При определенных условиях они могут перекрываться, и различениеисточников становится невозможным. Не случайно поэтому в соответствии с«рекомендацией» формулы, приведенной выше, стремятся строить астрономическиетелескопы с большими размерами входного зрачка. Предел разрешения, при котороммогут наблюдаться два близко расположенных источника света, определяютследующим образом: для определенности в качестве предела разрешения принимаюттакое положение дифракционных изображений двух точечных источников света, прикотором первое тёмное кольцо, создаваемое одним из источников, совпадает сцентром светлого пятна, создаваемого другим источником.

Рис. 2. Кривая распределенияинтенсивности в дифракционной картине от двух точечных источников света.

d

¾ расстояние между центральнымимаксимумами, M ¾ увеличение оптическойсистемы.

Нарис. 2 приведён график, характеризующий распределение интенсивности света приналожении дифракционных картин двух близко расположенных точечных источниковсвета для случая, соответствующего критерию Релея. По оси абсцисс отложенавеличина, пропорциональная расстоянию от центра (см. рис. 1). Сплошная тонкаякрива характеризует распределение интенсивности света, создаваемое первымисточником; 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 интенсивностисвета.

Теорияпоказывает, 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),

носящаяназвание разрешающей силы оптической системы.

Приведённыеосновные закономерности обусловлены волновой природой света и ограничиваютвозможность разрешения источников с помощью любых оптических систем, в томчисле в астрономии и микроскопии.Следует подчеркнуть, что приведённая формула соответствует случаюсамосветящихся объектов, посылающих некогерентные волны. Как известно, спомощью микроскопов часто рассматривают объекты, освещаемые постороннимисточником; это значит, что отдельные точки объекта рассеивают световые волны,исходящие из одной и той же точки источника, и свет, идущий от разных точекобъекта, оказывается поэтому в значительной мере когерентным. Определениеразрешающей способности микроскопа в случае когерентного освещения, проводимоепо методу Аббе, приводит к аналогичному результату (некоторое различие вчисленных коэффициентах несущественно, поскольку вообще понятие разрешающейспособности несколько условно).

Предельнуюразрешающую способность микроскопа часто называют дифракционным пределом,поскольку она определяется явлениями дифракции на входном зрачке. Правда, рядостроумных ухищрений позволил «заглянуть» несколько дальше этого предела.Здесь следует упомянуть метод, основанный на применении иммерсионных систем (вкотором пространство между предметом и объективом заполняется специальнымисредами) и позволяющий повысить разрешающую способность примерно в 1,5 раза;метод тёмного поля, основанный на явлении рассеяния света на малых частицах ипозволяющий регистрировать наличие сверхмалых частиц, когда их размеры лежат запределом разрешающей способности микроскопа; метод фазового контраста, припомощи которого можно изучать полностью прозрачные объекты.

Невидимые излучения.

Пользуясьсовременным языком теории информации, можно сказать, что за попытку проникнутьза дифракционный предел приходится платить ценой потери информации о деталяхизучаемого объекта. Действительно, методы субмикроскопии позволяют лишь судитьо наличии микрообъектов в поле зрения микроскопа, но не об их форме и другихдеталях.

Весьмазаметный качественный скачок в методах микроскопии был сделан физиками, которыестали использовать в микроскопии инфракрасное, ультрафиолетовое и другиеневидимые глазом излучения. Применение этих излучений для освещения объектовнаблюдения было связано с их способностью поглощать, отражать, пропускать ипреломлять падающее на них излучение. Поэтому, вообще говоря, при использованииизлучений различных участков спектра эти объекты выглядят по-разному.Следовательно, подбирая соответствующее освещение, можно получить новуюинформацию о предмете, так как характеристики поглощения, отражения,пропускания и преломления реальных неорганических и органических веществзависят от длины волны.

Нарядус этим следует отметить, что использование в микроскопии ультрафиолетовогоизлучения (более коротковолнового по сравнению с видимым) позволило повыситьпредел разрешающей способности микроскопа. Это легко понять, если вспомнить,что теоретический предел разрешающей способности пропорционален длине волныисточника излучения. Если при

l»5200 ¾5800 A°[1](жёлто-зелёная область, где глаз обладает наибольшей чувствительностью) теоретическийпредел разрешающей способности при n=1 (где n — показатель преломления)составляет около 2000 A°,то при использовании ультрафиолетового излучения (l »3000 A°)теоретический предел разрешающей способности достигает примерно 1200A°.Ясно, что в таких ультрафиолетовых микроскопах используются специальные оптическиеэлементы.

Всеприборы, использующие невидимые глазом излучения, состоят из осветителя(источника освещения), оптических элементов (линз, зеркал, призм и т. п.),пригодных для работ в данном участке спектра, и элементов, преобразующих«невидимое изображение» в видимое. В последнее время стали успешноиспользовать для получения информации о строении объектов радиоизлучение(миллиметрового и субмиллиметрового), длины волн которого значительно большедлин волн видимого излучения.

Остановимсянесколько подробнее на некоторых общих физических закономерностях,свойственных получению изображения в микроскопии.

Получениебольшого увеличения в принципе осуществимо путём использования соответствующихоптических элементов. Однако если предел разрешающей способности прибора ужедостигнут и детали изображения нельзя различить, то дальнейшее увеличениеисследуемого предмета теряет практический смысл. Поэтому существует термин«полезное увеличение микроскопа». С вопросом увеличения связан также и вопрособ искажениях в микроскопе (как и в других оптических приборах). Эти искажениявозникают из-за отклонения оптических поверхностей элементов (линз и т. п.) отидеальной формы, неточного расположения элементов и т. п. Кроме этого,искажения (хроматическая аберрация) возникают и из-за зависимости коэффициентапреломления материалов, из которых изготавливаются оптические элементы, отдлины волны света (дисперсии света в материалах). Таким образом, мы видим, что«проникнуть глубже» в мир малых объектов путём использования большихувеличений нельзя. И только использование более коротковолновых излучений, т.е. излучений с меньшими длинами волн, чем у видимого света, должно в принципепривести к повышению разрешающей способности. Тем самым пресловутыйдифракционный предел может быть «отодвинут», и открывается возможностьнаблюдения и исследования новых классов невидимых объектов и новых деталей ужеизвестных объектов.

Большиенадежды возлагались и возлагаются на диапазон рентгеновских лучей (некогдатаинственных X- лучей). Напомним, что рентгеновское излучение, создаваемое врентгеновских трубках путем разгона электронов электрическим полем и ихпоследующего торможения на положительно заряженном электроде (антикатоде), также как и видимый свет, является электромагнитным излучением. Оно характеризуетсядлинами волн на четыре-пять порядков меньшими, чем у видимого света. Например,в медицинской диагностике применяется рентгеновское излучение с

l»0,17¾0,10A°, апри просвечивании материалов (толстые стальные и другие изделия) ¾с l »0,05 A°.Отсюда видно, что использование рентгеновского излучения в обычном оптическоммикроскопе вместо видимого могло бы дать соответствующее, легко оцениваемоетеоретически повышение разрешающей способности прибора.

Воспользуемсяформулой для определения предела разрешающей способности прибора d

»(0,61*l)/(n*sinj).Для рентгеновских лучей коэффициент преломления n среды очень близок кединице. Поэтому, если воспользоваться рентгеновским излучением с l »0,1A° (это соответствует ускоряющему напряжениюоколо 120 кв.), то дифракционный предел составит приблизительно 0,05A°.Однако на пути реализации такойзаманчивой возможности существуют принципиальные трудности, связанные сособенностями рентгеновского излучения и его взаимодействия с веществом. Первая и наиболее существеннаятрудность заключается в том, что рентгеновские лучи практически невозможнофокусировать, получать их зеркальное отражение, а также другие явления, лежащиев основе процесса формирования изображений в оптической микроскопии. Длясоздания линз, призм и других подобных оптических элементов в этом случаенужны материалы с коэффициентом преломления, большим единицы[2].Из-за особенностей взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (мы здесь небудем касаться подробностей этого вопроса) коэффициент преломления их практическиво всех материалах близок к единице, а точнее — несколько меньше единицы. Дажелучшие полированные поверхности не могут обеспечить зеркального отражениярентгеновских лучей (длины волн рентгеновского излучения практически всегдаменьше средних размеров неоднородностей поверхности). Это обстоятельство препятствуетсозданию зеркального рентгеновского микроскопа.

Несмотряна перечисленные затруднения, в СССР и за границей были успешно проведеныэксперименты в области рентгеновской микроскопии, используя некоторыеспециальные приемы. Правда, результаты этих работ пока не получили техническойреализации. Кроме того, они в настоящее время не дают возможности надеяться накакое-либо продвижение в сторону дифракционного предела, соответствующегодиапазону рентгеновского излучения. Вместе с тем проблема рентгеновскоймикроскопии является в настоящее время настолько актуальной, что в техникеполучили развитие некоторые «обходные» приемы, основывающиеся на сочетанииметодов рентгеновской проекции с радиотехническими (в том числетелевизионными) устройствами, позволяющими получить дополнительное увеличение(10

¸30*)и приемлемое разрешение (порядка нескольких десятков микрон). И хотя это чрезвычайнодалеко от потенциальных возможностей рентгеновской микроскопии, подобныеустройства находят применение в науке и технике.

Электроны и электронная оптика.

Подлиннаяреволюция в микроскопии произошла в 20-х годах нашего века, когда возникла идеяиспользовать в ней потоки частиц — электронов. На основе этой идеи возникла ибыстро развилась новая область науки? электронная микроскопия, позволившаяосуществить наиболее глубокий прорыв в области видения и изучения сверхмалыхобъектов.

Мыпривыкли к тому, что видение объекта, формирование его изображения связаны споступлением в прибор (а в конечном счёте в глаз) световых волн от этогопредмета, того, что мы называем излучением. Как же можно получить изображениеобъекта, причём даже с гораздо более высокой разрешающей способностью,используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможновидение предметов на основе использования не волн, а частиц?

Забегаянесколько вперед, скажем, что электроны проявляют волновые свойства отнюдь не вменьшей мере, чем «настоящие», привычные волны, например, радио или световые.Но об этом ниже… Вместе с тем электроны ведут себя как настоящие частицы,обладающие массой, траекторией движения, энергией и другими свойствами, присущимиразличным предметам. Так в первую очередь ведут себя электроны во многихприборах и устройствах, широко применяющихся не только в науке и технике, но ив быту

¾в электронных лампах, кинескопах и других электронных приборах радиоприёмникови телевизоров.

Современнаяфизика весьма подробно знает «анкетные данные» электрона. Это отрицательнозаряженная частица (e=4,8e-10 CGSE) с массой 9,1e-28 г, но физики тщательнообходят вопросы, которые иногда хочется задать чрезмерно любопытным, напримеро форме электрона, а о его размерах обычно говорят с оговорками. Звучит этаоговорка примерно так: «классический радиус электрона составляет

~ 10-13см, а в рамках релятивистской теории это вообще точечная частица». Если некасаться определённой группы ситуаций, в которых электроны ведут себя не поправилам «здравого смысла» (об этом ниже), то это частицы, поведение которыхможно описать и весьма точно рассчитать по законам механики и теорииэлектромагнетизма, как и любого другого объекта. Правда, в этих случаях, т. е.тогда, когда ещё не проявляются закономерности так называемой квантовоймеханики, приходится учитывать проявление эффектов теории относительности(релятивистских эффектов) и в первую очередь возрастание массы электрона сростом скорости его движения.

Вомногих практических применениях электронных потоков, например в вакуумныхприборах, электроны ведут себя как вполне «нормальные» частицы. Под действиемизвестной силы, например, создаваемой электрическим полем между электродами,электрон приобретает ускорение, пропорциональное силе и обратно пропорциональноеего массе. Движущиеся потоки электронов эквивалентны электрическим токам,поэтому могут эффективно взаимодействовать с внешними магнитными полями. Такимобразом, электрические и магнитные поля могут существенно влиять на траекториии скорости электронных потоков, и с помощью таких полей можно управлять движениемэлектронов. Наука, занимающаяся нахождением траекторий движения электронов вэлектрических и магнитных полях, а также расчётом элементов и устройств,способных формировать нужные поля, называется электронной оптикой (обратитевнимание

¾электронной оптикой ).

Болееподробный анализ анкетных данных электрона обнаруживает необычность ряда егосвойств. Действительно, если подходить к электрону с обычными мерками исчитать, что он занимает объём V и обладает массой m, то «плотность вещества вэлектроне»

r»(m/V)=(9,1e-28)/(4/3*p*r3)»1011г/см3(!). Здесь мы считаем электрон шариком с радиусом r порядка 10-13см. Масса, заряд и некоторые другие постоянные, характеризующие электроны,известны уже с весьма высокой точностью[3].Вопрос о том, каким образом электрон удерживается как целое и не разлетаетсяпод действием сил расталкивания, выходит далеко за рамки этого реферата¼

Еслипредметам, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, достаточно трудносообщить большую скорость (например, порядка нескольких километров в секунду),то электрон даже в поле с U=1В приобретает скорость V=(2

*e/m*U)0,5»6e7см/сек. Таким образом, электроны легче разогнать до больших скоростей, чем«остановить», т. е. заставить находиться в покое. Электроны в обычноймедицинской рентгеновской трубке тормозятся в поверхностном слое антикатода,проходя при этом путь в несколько ангстрем. Отрицательное ускорение на пути s(например, при U»100кв.) при этом будет весьма велико:

w

»(v2)/(2*s)»1023 см/сек2 (!).

Наконец,укажем, что, как правило, в наших приборах для их нормальной работы необходим электронныйпоток, содержащий внушительное число частиц (например, электронному току в 1Aсоответствует поток электронов в 10

еще рефераты

Еще работы по физике

Реферат по физике

Механика от Аристотеля до Ньютона

29 Августа 2013

Реферат по физике

Углеродные нанотрубки

26 Июня 2015

Реферат по физике

Трех- и четырехволнове рассеяние света на поляритомах и кристаллах ниобата лития с примесями

29 Августа 2013

Реферат по физике

Эффективные характеристики случайно неоднородных сред

29 Августа 2013