3.5. Электронная микроскопия

Электронная микроскопия является одним из наиболее совершенных ме­тодов определения размера и формы коллоидных частиц. В отличие от ультрамикроскопа, электронный микроскоп, облада­ющий более высокой разрешающей способностью, позволяет увидеть не отблески, а отдельные действительные частицы (коллоидные, крупные макромолекулы) и их структуру.

Теоретические основы электронной микроскопии во многом сходны с теорией световой микроскопии. Как показывает уравнение (3.24), увели­чение разрешающей способности микроскопа можно обеспечить уменьшени­ем длины волны лучей, освещающих образец. Для достижения наибольшей разрешающей способности вместо световых лучей в электронном микрос­копе используют поток электронов.

Длина волны движущейся частицы по де-Бройлю составляет

= h/(m), (3.29)

где h-постоянная Планка; m -масса частицы;  -скорость движения. Для электронов, движущихся ускоренно под действием разности потенциа­лов U, длина волны определяется соотношением

  1,23/U^1/2 . (3.30)

Так, при разности потенциалов 50 кВ (что обычно применяется на прак­тике) длина волны электронов составляет 0,5410^-2 нм.

Теоретически достижимое оптимальное разрешение электронного мик­роскопа составляет 0,143 нм практически можно достигнуть 0,2 нм. Разрежающая способность светового микроскопа 225 нм. Человеческий глаз в среднем может легко различить длину 0,2-0,5 мм. Поэтому детали размером 5,0 нм можно рассмотреть на качественной электрон­ной микрофотографии с увеличением примерно в 200 000 раз.

Устройство электронного микроскопа (рис. 3.5 б) в основном аналогично устройству обычного светового микроскопа. В электронном микроскопе используется вместо лучей света поток электронов и соответствен­но вместо оптических проекционных линз (окуляра), оптического кон­денсора, объектива светового микроскопа специальные электростатические или электромагнитные проекционные линзы 6, конденсоры 2 и объективы 4. Источником электронов служит нагреваемая электрическим током вольфрамовая нить диаметром 0,1 мм. Электроны, испускаемые нитью, ускоряются электрическим полем (с разностью потенциалов от 30 до 100 кВ), приложенным между нитью и анодом. В центре анода имеется небольшое отверстие, через которое пролетают электроны (в виде узко­го пучка), используемые в дальнейшем для получения изображения. Эта часть электронного микроскопа получила название "электронной пушки".

Поскольку электроны даже при сообщенной им энергии могут пройти в воздухе при нормальном давлении расстояние всего лишь 0,2 мм, в электронном микроскопе поддерживается высокий вакуум (остаточное давление должно быть менее 110^-3 Па).

Наиболее распространены просвечивающие элект­ронные микроскопы. В них исследуемый объект просве­чивают пучком электронов, создающим соответствующее изображение на фотопластинке или флюоресцирующем экране (рис. 3.5 б), которое про­ходит две ступени увеличения и проецируется. А именно вылетевшие из "пушки" электроны попадают в поле первой магнитной конденсорной лин­зы, которая меняет направление их движения таким образом, что они собираются на исследуемом объекте.

Пройдя через исследуемый объект, электроны попадают во вторую маг­нитную линзу, объективную уже дающую сильное увеличение. Дальнейшее увеличение - до 25 000 раз - создается после прохождения электронов через поле третьей магнитной линзы - проекционной. Из проекционной линзы элект­роны попадают на фотопластинку или флюоресцирующий экран - экран, покрытый веществом, светящимся под ударами электронов. На экране возникает изображение частиц, увеличенное в (10-25)1O³ раз. Дальнейшее увеличение осуществляется при фотографировании объекта.

Несмотря на внешнее сходство оптических схем, принцип получения изображения в электронном микроскопе отличается от такового в све­товом микроскопе. В последнем объект поглощает световые лучи разными своими участками по-разному, и вследствие этого получается изображение. В электронном микроскопе объект не должен заметно поглощать электроны, а лишь упруго их отталкивать. Изображение возникает в результате разной степени рассеяния электронов различными участками объекта.

У просвечивающих электронных микроскопов наибольшая разрешающая способность, и с их помощью можно исследовать самые разнообразные системы. Для получения качественного изображения применяют образцы очень малой толщины, которые наносят на тонкие подложки из аморфного материала. Увеличение толщины образца не только ухудшает качество фотографии, но и может привести к его термодеструкции.

Все методы исследования с помощью просвечивающей электронной мик­роскопии разделяют на прямые и косвенные. При прямых методах в микроскопе исследуют непосредственно объект в виде очень тонкой пленки (среза) или мельчайших частиц (определение формы и размера частиц высокодисперсных систем, изучение структуры биоло­гических объектов, полимеров, металлов и т.п.). При косвенных мето­дах в микроскопе рассматривают не сам объект, а отпечаток этого объ­екта, который называют слепком или репликой. Метод реплик применяют для исследования микрорельефа различных поверхностей, а также таких объектов, как кристаллы льда или гели, которые невозмож­но исследовать в микроскопе. В качестве материала для реплик используют формвар, вещества типа коллодия и оксид SiO₂ (SiО), конденси­рованный в высоком вакууме из паровой фазы. Для усиления контраст­ности изображения обычно проводят оттенение реплик - напыление на них слоя тяжелых металлов (уран, палладий, золото, хром, никель). На­пыление проводят путем возгонки металла при высоком вакууме; на реп­лику наносят два-три атомных слоя.

В результате электронно-микроскопических исследований получают ряд фотографий, регистрирующих несколько сотен частиц. С помощью измери­тельного оптического микроскопа по этим фотографиям определяют раз­меры частиц. Затем строят гистограммы и, используя методы математической статистики, определяют основные параметры распределения час­тиц по размерам.

В настоящее время разработаны различные автоматические и полуавто­матические приспособления, позволяющие измерять размеры частиц на фотографии и сразу получать информацию о гистограмме на печатающем устройстве. Применение ЭВМ совместно с устройством, определяющим раз­меры частиц, дает возможность получать сведения непосредственно о типе распределения и его числовых характеристиках.

Существенным недостатком электронной микроскопии является невоз­можность наблюдения образца в динамических условиях, т.е. в дви­жении, так как он должен быть высушен или заменен репликой.

Поэтому по возможности целесообразно применять и электронную, и све­товую микроскопию, которые дополняют друг друга. Например, рост кристалликов новой фазы можно наблюдать в световом микроскопе, а тон­кие детали их поверхности можно исследовать с помощью электронного микроскопа.