У минулому столітті англійський математик і механік В. Р. Гамільтон звернув увагу на те, що в поширенні світла й у русі тіл багато спільного. Як світлові промені можна зібрати за допомогою лінз, так можна сфокусувати й дрібні тіла — частинки, що рухаються з різними швидкостями. Отже, використовуючи такі частинки, можна так само дістати зображення предмета, як і за допомогою світлових променів. Практично ідеї Гамільтона були нездійсненні, бо сила тяжіння, що діє на всі тіла, справляла б на роботу такого «мікроскопа» надто великий спотворювальний вплив. Лише після відкриття електронів стало можливим сконструювати мікроскоп, що працює з частинками. Сила тяжіння тут практично вже непомітна, бо електричні сили, які діють на електрони, значно її перевищують. Так було створено електронний мікроскоп, де замість світла для одержання зображення використовується пучок електронів. Рух електронів при цьому керується електричним і магнітним полями (використовуються так звані електричні й магнітні лінзи).
Проведімо такий дослід.
Забиймо в дно озера палю так, щоб вона виступала над поверхнею води, і подивімося, який вплив вона справить на рух хвиль. За легкого вітру, коли поверхня води вкрита лише дрібними брижами, позаду палі хвилювання ми не помічаємо. За палею гладенька поверхня — тінь від палі.
Можна також помітити, що хвилі, які набігають на палю, відбиваються назад. Інша картина за сильного вітру, коли по озеру ходять довгі хвилі. Вони проходять повз палю, ніби її й не існує. Ніякої тіні за палею не утворюється.
Цілком аналогічно стоїть справа й з мікроскопом. Якщо розглядатимемо під мікроскопом предмет, великий порівняно з довжиною світлової хвилі, то світлові хвилі відбиватимуться від нього, а відбите світло, зібране за допомогою лінз, дасть збільшене зображення предмета. Якщо ж предмет, поміщений під мікроскоп, менший за 0,3 мікрона, то довжина світлової хвилі перевищує розміри предмета, і світлові хвилі вже не розсіюються правильно. У цьому разі мікроскоп не дає зображення предмета.
Для спостереження в мікроскоп за такими маленькими частинками користуються випромінюванням з меншою довжиною хвилі. Існують мікроскопи, в яких зображення одержують у невидимих оку ультрафіолетових променях, що мають, як відомо, меншу довжину хвилі, ніж видимі світлові промені. Оскільки ультрафіолетові промені сильно діють на фотопластинку, то одержане зображення мо<жна фотографувати. Але таким способом можна розглядати лише частинки з поперечником не менше 0,1 мікрона. Оптичні мікроскопи не дозволяють вивчати дрібніші предмети. На допомогу тут приходить електронний мікроскоп.
Чому ж електронний мікроскоп має більшу роздільну здатність, ніж звичайний оптичний? Щоб відповісти на це питання, треба бодай коротко розповісти про природу елементарних частинок.
Виявляється, що електрони (й інші елементарні частинки), крім малих розмірів, мають цілу низку нових цікавих властивостей, яких немає у великих тіл. Наприклад, під час вивчення пучка електронів, що рухається, виявляються своєрідні хвильові явища, які можна порівняти з електромагнітними хвилями; у пучка електронів можна виміряти довжину хвилі, частоту, швидкість поширення та інші хвильові властивості. Щодо цього пучок електронів не відрізняється скількись значно від світлового променя.
Теорію хвильових властивостей електрона, яку вивчає так звана хвильова, або квантова, механіка, створив французький фізик Луї де Бройль у 1924 р. У досліді хвильові властивості пучка електронів було виявлено лише через три роки. Цікаво зазначити, що, створюючи хвильову механіку, де Бройль виходив з ідей Гамільтона й використав теорію відносності.
Міркування де Бройля показують, що пучок електронів, які рухаються зі швидкістю v, поводиться як хвиля, довжина λ якої виражається формулою
λ = 7.28/mv,
де v — швидкість електронів у см/с; маса m — у частках маси спокою електрона (масу електрона, що перебуває в спокої, приймають рівною одиниці); λ— см.
Для ілюстрації наведеної формули розглянемо пучок електронів, що рухаються зі швидкістю 72 000 км/с. Маса електронів при цьому дорівнюватиме 1,03 маси спокою, тобто m = 1,03 m0.
Обчислення за наведеною формулою показує, що довжина хвилі такого електронного пучка становитиме 0,01 мілімікрона (видимі фіолетові світлові промені мають довжину хвилі 400 мілімікронів). Це означає, що електронний мікроскоп, в якому електрони рухаються зі швидкістю 72 000 км/с, дозволяє спостерігати в 40 000 разів дрібніші предмети, ніж звичайний оптичний мікроскоп. Наше око не сприймає електронних променів, але вони чудово діють на фотопластинку.
У Радянському Союзі серійно виробляються електронні мікроскопи зі збільшенням у 200 000 разів. Для порівняння зауважимо, що оптичний мікроскоп збільшує лише у 2 000 разів.
З наведеної вище формули видно, що чим більша швидкість електронів v, тим менша довжина хвилі λ, тобто тим менші об'єкти можна спостерігати за допомогою таких електронів. У сучасних електронних мікроскопах застосовуються електрони, що рухаються зі швидкістю, більшою за половину швидкості світла. Очевидно, що під час конструювання таких мікроскопів доводиться дуже суворо враховувати «обтяження» електронів. Якби вчені не знали теорії відносності, свідомо керувати електронами, які мають такі великі швидкості, було б неможливо.
Використання в електронних мікроскопах електронів, що рухаються з великими швидкостями, пов'язане з багатьма проблемами, зокрема з проблемами чистоти й чіткості зображення. Спотворення зображення в електронному мікроскопі поки що не дозволяють досліджувати навіть набагато більші предмети, ніж це передбачає теорія. Проте теорія електронного мікроскопа, що ґрунтується на теорії відносності, вкаже шляхи зменшення спотворень, а це дасть змогу підвищити роздільну здатність електронного мікроскопа.
Замість пучка електронів у мікроскопі можна використати й пучок протонів. Завдяки більшій масі протонів роздільна здатність мікроскопа в цьому разі ще вища. Нині вже збудовано протонні мікроскопи, які дають збільшення в мільйон разів.
Проведімо такий дослід.
Забиймо в дно озера палю так, щоб вона виступала над поверхнею води, і подивімося, який вплив вона справить на рух хвиль. За легкого вітру, коли поверхня води вкрита лише дрібними брижами, позаду палі хвилювання ми не помічаємо. За палею гладенька поверхня — тінь від палі.
Можна також помітити, що хвилі, які набігають на палю, відбиваються назад. Інша картина за сильного вітру, коли по озеру ходять довгі хвилі. Вони проходять повз палю, ніби її й не існує. Ніякої тіні за палею не утворюється.
Цілком аналогічно стоїть справа й з мікроскопом. Якщо розглядатимемо під мікроскопом предмет, великий порівняно з довжиною світлової хвилі, то світлові хвилі відбиватимуться від нього, а відбите світло, зібране за допомогою лінз, дасть збільшене зображення предмета. Якщо ж предмет, поміщений під мікроскоп, менший за 0,3 мікрона, то довжина світлової хвилі перевищує розміри предмета, і світлові хвилі вже не розсіюються правильно. У цьому разі мікроскоп не дає зображення предмета.
Для спостереження в мікроскоп за такими маленькими частинками користуються випромінюванням з меншою довжиною хвилі. Існують мікроскопи, в яких зображення одержують у невидимих оку ультрафіолетових променях, що мають, як відомо, меншу довжину хвилі, ніж видимі світлові промені. Оскільки ультрафіолетові промені сильно діють на фотопластинку, то одержане зображення мо<жна фотографувати. Але таким способом можна розглядати лише частинки з поперечником не менше 0,1 мікрона. Оптичні мікроскопи не дозволяють вивчати дрібніші предмети. На допомогу тут приходить електронний мікроскоп.
Чому ж електронний мікроскоп має більшу роздільну здатність, ніж звичайний оптичний? Щоб відповісти на це питання, треба бодай коротко розповісти про природу елементарних частинок.
Виявляється, що електрони (й інші елементарні частинки), крім малих розмірів, мають цілу низку нових цікавих властивостей, яких немає у великих тіл. Наприклад, під час вивчення пучка електронів, що рухається, виявляються своєрідні хвильові явища, які можна порівняти з електромагнітними хвилями; у пучка електронів можна виміряти довжину хвилі, частоту, швидкість поширення та інші хвильові властивості. Щодо цього пучок електронів не відрізняється скількись значно від світлового променя.
Теорію хвильових властивостей електрона, яку вивчає так звана хвильова, або квантова, механіка, створив французький фізик Луї де Бройль у 1924 р. У досліді хвильові властивості пучка електронів було виявлено лише через три роки. Цікаво зазначити, що, створюючи хвильову механіку, де Бройль виходив з ідей Гамільтона й використав теорію відносності.
Міркування де Бройля показують, що пучок електронів, які рухаються зі швидкістю v, поводиться як хвиля, довжина λ якої виражається формулою
λ = 7.28/mv,
де v — швидкість електронів у см/с; маса m — у частках маси спокою електрона (масу електрона, що перебуває в спокої, приймають рівною одиниці); λ— см.
Для ілюстрації наведеної формули розглянемо пучок електронів, що рухаються зі швидкістю 72 000 км/с. Маса електронів при цьому дорівнюватиме 1,03 маси спокою, тобто m = 1,03 m0.
Обчислення за наведеною формулою показує, що довжина хвилі такого електронного пучка становитиме 0,01 мілімікрона (видимі фіолетові світлові промені мають довжину хвилі 400 мілімікронів). Це означає, що електронний мікроскоп, в якому електрони рухаються зі швидкістю 72 000 км/с, дозволяє спостерігати в 40 000 разів дрібніші предмети, ніж звичайний оптичний мікроскоп. Наше око не сприймає електронних променів, але вони чудово діють на фотопластинку.
У Радянському Союзі серійно виробляються електронні мікроскопи зі збільшенням у 200 000 разів. Для порівняння зауважимо, що оптичний мікроскоп збільшує лише у 2 000 разів.
З наведеної вище формули видно, що чим більша швидкість електронів v, тим менша довжина хвилі λ, тобто тим менші об'єкти можна спостерігати за допомогою таких електронів. У сучасних електронних мікроскопах застосовуються електрони, що рухаються зі швидкістю, більшою за половину швидкості світла. Очевидно, що під час конструювання таких мікроскопів доводиться дуже суворо враховувати «обтяження» електронів. Якби вчені не знали теорії відносності, свідомо керувати електронами, які мають такі великі швидкості, було б неможливо.
Використання в електронних мікроскопах електронів, що рухаються з великими швидкостями, пов'язане з багатьма проблемами, зокрема з проблемами чистоти й чіткості зображення. Спотворення зображення в електронному мікроскопі поки що не дозволяють досліджувати навіть набагато більші предмети, ніж це передбачає теорія. Проте теорія електронного мікроскопа, що ґрунтується на теорії відносності, вкаже шляхи зменшення спотворень, а це дасть змогу підвищити роздільну здатність електронного мікроскопа.
Замість пучка електронів у мікроскопі можна використати й пучок протонів. Завдяки більшій масі протонів роздільна здатність мікроскопа в цьому разі ще вища. Нині вже збудовано протонні мікроскопи, які дають збільшення в мільйон разів.