На главную
Физика - одна из самых удивительных наук! Физика столь интенсивно развивается, что даже лучшие педагоги сталкиваются с большими трудностями, когда им надо рассказать о современной науке. Данный ресурс поможет эффективно и интересно изучать физику. Учите физику!
   

Обучение и материалы
Физический справочник
Формулы по физике
Шпаргалки по физике
Энциклопедия
Репетиторы по физике
Работа для физиков
Быстрый устный счет
Виртуальные лабораторные
Опыты по физике
ЕГЭ онлайн
Онлайн тестирование
Ученые физики
Необъяснимые явления
Ваша реклама на сайте
Разное
Контакты
Спецкурс
Фейнмановские лекции

В мире больших скоростей

Введение в теорию относительности

Лекции по биофизике
Лекции по ядерной физике
Ускорение времени...
Лазеры
Нанотехнологии
Книги
полезное
Смешные анекдоты о физике
Готовые шпоры по физике
Физика в жизни
Ученые и деньги
Нобелевские лауреаты
Фото
Видео
Карта сайта
На заметку
Если вам понравился сайт, предлагаем разместить нашу кнопку
Кнопка сайта All-fizika.com
Компьютерные программы
по физике
Программы по физике


Физика и юмор
Физика и юмор


Онлайн тестирование
по физике
Онлайн тестирование по физике



-









17. Электронный микроскоп

В прошлом столетии английский математик и механик В. Р. Гамильтон обратил внимание на то, что в распространении света и в движении тел много общего. Как световые лучи можно собрать с помощью линз, так можно сфокусировать и движущиеся с различными скоростями мелкие тела — частицы. Следовательно, используя такие частицы, можно так же получить изображение предмета, как и с помощью световых лучей. Практически идеи Гамильтона были не осуществимы, так как сила тяжести, действующая на все тела, оказывала бы на работу такого «микроскопа» слишком большое искажающее влияние. Только после открытия электронов стало возможным сконструировать работающий с частицами микроскоп. Сила тяжести здесь практически уже не заметна, так как электрические силы, действующие на электроны, значительно превышают ее. Так был создан электронный микроскоп, где вместо света для получения изображения используется пучок электронов. Движение электронов при этом управляется электрическим и магнитным полями (используются так называемые электрические и магнитные линзы).
 
Проделаем следующий опыт.
 
Забьем в дно озера сваю так, чтобы она выступала над поверхностью воды, и посмотрим, какое влияние она окажет на движение волн. При легком ветре, когда поверхность воды покрыта только мелкой   рябью,   позади  сваи волнения не замечаем. За  сваей гладкая поверхность — тень от сваи.


Можно также заметить, что набегающие на сваю волны отражаются обратно. Иная картина при сильном ветре, когда по озеру ходят длинные волны. Они проходят мимо сваи, как будто ее и не существует. Никакой тени за сваей не образуется.
 
Совершенно аналогично обстоит дело и с микроскопом. Если будем рассматривать под микроскопом большой по сравнению с длиной световой волны предмет, то световые волны будут отражаться от него, а отраженный свет, собранный с помощью линз, даст увеличенное изображение предмета. Если же предмет, помещенный под микроскопом, меньше 0,3 микрона, то длина световой волны превышает размеры предмета, и световые волны уже не рассеиваются правильно. В этом случае микроскоп не дает изображения предмета.
 
Для наблюдения в микроскоп за такими маленькими частицами пользуются излучением с более короткой длиной волны. Существуют микроскопы, в которых изображение получается в невидимых глазу ультрафиолетовых лучах, имеющих, как известно, меньшую длину волны, чем видимые световые лучи. Так как ультрафиолетовые лучи сильно действуют на фотопластинку, то получаемое изображение мо<жно фотографировать. Но таким способом можно рассматривать только частицы поперечником не меньше 0,1 микрона. Оптические микроскопы не позволяют изучать более мелкие предметы. На помощь здесь приходит электронный микроскоп.
 
Почему же электронный микроскоп обладает большей разрешающей силой, чем обычный оптический? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно хотя бы коротко рассказать о природе элементарных частиц.
 
Оказывается, что электроны (и другие элементарные частицы) помимо малых размеров имеют целый ряд новых интересных свойств, которые отсутствуют у больших тел. Например, при изучении движущегося пучка электронов обнаруживаются своеобразные волновые явления, которые можно сравнить с электромагнитными волнами; у пучка электронов можно измерить длину волны, частоту, скорость распространения и другие волновые свойства. В этом отношении пучок электронов не отличается сколько-нибудь значительно от светового луча.
 
Теория волновых свойств электрона, изучаемая в так называемой волновой, или квантовой, механике, была создана французским физиком Луи де Бройлем в 1924 г. На опыте волновые свойства пучка электронов были обнаружены лишь спустя три года. Интересно отметить, что, создавая волновую механику, де Бройль исходил из идей Гамильтона и использовал теорию относительности.

Рассуждения де Бройля показывают, что пучок электронов, движущихся со скоростью v, ведет себя как волна, длина λ которой выражается формулой
λ = 7.28/mv, 
где v — скорость электронов в см/сек; масса т — в долях массы покоя электрона (масса покоящегося электрона принимается равной единице); λ— см.

Для иллюстрации приведенной формулы рассмотрим пучок электронов, движущихся со скоростью 72 000 км/сек. Масса электронов при этом будет равна 1,03 массы покоя, т. е. т = 1,03 то.

Вычисление по приведенной формуле показывает, что длина волны такого электронного пучка будет 0,01 миллимикрон (видимые фиолетовые световые лучи имеют длину волны 400 миллимикрон). Это значит, что электронный микроскоп, в котором электроны движутся со скоростью 72 000 км/сек, позволяет наблюдать в 40 000 раз более мелкие предметы, чем обычный оптический микроскоп. Наш глаз не воспринимает электронных лучей, но они прекрасно действуют на фотопластинку.
 
В Советском Союзе серийно производятся электронные микроскопы с увеличением в 200 000 раз. Для сравнения заметим, что оптический микроскоп увеличивает только в 2 000 раз.

Из формулы, приведенной выше, видно, что чем больше скорость электронов v, тем меньше длина волны λ, т. е. тем меньшие объекты можно наблюдать с помощью таких электронов. В современных электронных микроскопах применяются электроны, движущиеся со скоростью, большей половины скорости света. Очевидно, что при конструировании таких микроскопов приходится очень строго учитывать «утяжеление» электронов. Если бы ученые не знали теории относительности, сознательно управлять электронами, имеющими такие большие скорости, было бы невозможно.
 
Использование в электронных микроскопах электронов, движущихся с большими скоростями, связано со многими проблемами, в частности с проблемами чистоты и четкости изображения. Искажения изображения в электронном микроскопе не позволяют пока исследовать даже гораздо большие предметы, чем это предсказывает теория. Однако основывающаяся на теории относительности теория электронного микроскопа укажет пути уменьшения искажений, что позволит повысить разрешающую способность электронного микроскопа.
 
Вместо пучка электронов в микроскопе можно использовать и пучок протонов. Благодаря большей массе протонов разрешающая способность микроскопа в этом случае еще выше. В настоящее время уже построены протонные микроскопы, которые дают увеличение в миллион раз.



ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:


Социальные комментарии Cackle


 
 
© All-Физика, 2009-2016
При использовании материалов сайта ссылка на www.all-fizika.com обязательна.