книги из ГПНТБ / Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия

пучка меньше чем 1 мкрад. Схема позволяет разрешить очень большие периоды, однако отображение дифракцион­ ной картины с большим увеличением представляет опре­ деленные трудности.

3.3.4. ИЗОБРАЖЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК

Мы видели, что атомы в кристаллических материалах образуют регулярные структуры или решетки и что пучок электронов, проходящий через такие материалы, откло­ няется в определенных характеристических направлениях. В режиме светлопольных исследований электроны, пре­ терпевшие отклонение, задерживаются апертурной диаф­ рагмой объектива, а при получении темнопольных изоб­ ражений через указанную диафрагму проходят только электроны, которые отклонились на углы, лежащие в некотором четко ограниченном интервале. Если, одна­ ко, создать условия, при которых неотклонеиный пучок и один из отклоненных лучей достигнут плоскости изоб­ ражения, то на экране возникнет интерференционная картина, которую можно с полным основанием считать картиной кристаллической решетки. При этом полосы интерференционной картины соответствуют атомным плос­ костям в объекте. Наряду с несомненной ценностью для кристаллографических исследований описываемый режим получения изображений интересен с точки зрения прояв­ ляющихся при нем особых оптических свойств, а именно: предельное разрешение изображения определяется види­ мостью полос, которая зависит от стабильности ускоряю­ щего напряжения и степени когерентности освещения. (Сферическая аберрация на разрешение непосредственного влияния не оказывает, но ее роль проявляется в связи с влиянием когерентности.) Поэтому существует прин­ ципиальная возможность наблюдения в микроскопе мень­ ших межплоскостных расстояний, чем разрешаемое рас­ стояние, определяемое по точкам. Однако реализация этой возможности требует огромных усилий и максимального терпения. Полосы на изображениях кристаллических решеток с периодом, равным половине межплоскостного расстояния (менее одного ангстрема), впервые наблюда­ лись в 1969 г. (фиг. 3.25).

3.4. ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

3.4.1. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОНТРАСТА

Выше уже был рассмотрен механизм формирования контраста в электронном микроскопе за счет диафрагми­ рования некоторой части электронов с помощью апертур­ ной диафрагмы объектива. В настоящем разделе рассмот­ рение будет продолжено для случая электронномикроско­ пических изображений с высоким разрешением, при кото­ ром механизм возникновения контраста оказывается уже иным.

Большинство электронов, падающих на электронно­ микроскопический объект, выходят из него с обратной стороны, и если объект достаточно тонкий, то многие электроны сохранят при этом свое первоначальное направ­ ление движения. Но некоторые электроны, проходящие вблизи атомов, отклоняются на определенные углы, вели­ чина которых зависит от атомного номера вещества объек­ та и степени близости траекторий электронов к этим ато­ мам. Преобладающее большинство электронов при про­ хождении через объект не будет терять энергии, а осталь­ ные определенную долю своей энергии передадут объекту.

Таким образом, здесь имеется резкое отличие от боль­ шинства типов обычной световой микроскопии, где вслед­ ствие различной прозрачности объекта имеет место различ­ ное ослабление интенсивности светового пучка. При элект­ ронном облучении положение в значительной мере анало­ гично фазовоконтрастной микроскопии, в которой объект, совершенно прозрачный для света, отличается неоднород­ ностью либо по показателю преломления, либо по тол­ щине. Это означает, что если на объект падает плоская световая волна с амплитудой, постоянной по фронту (фиг. 3.26), то она выходит из объекта с той же амплиту­ дой, но с различными фазами. Если, например, принять, что показатель преломления п меняется, а толщина t

остается постоянной, то разность хода для света, выходя­

Другими словами, если рассмотреть поверхность равной

168 Глава 3

атомы, лежащие вблизи противоположных поверхностей объекта, отображаются по-разному. Контраст может быть создан благодаря ослаблению одного или нескольких перечисленных выше условий (часть электронов, выходя­ щих из объекта, может быть удалена; всегда имеется сфе­ рическая аберрация; преломляющая сила объективной линзы может быть изменена таким образом, чтобы плос­ кость объекта и конечная плоскость наблюдения оказались не точно сопряженными).

Рассмотрим каждый из указанных механизмов возник­ новения контраста в отдельности.Первый из них, наиболее простой и доступный пониманию, является основным источ­ ником контраста при электронномикроскопическом иссле­

довании структур с деталями размерами больше 25—50 А. Объект, как правило, содержит определенное, иногда большое, количество тяжелых атомов. В металлических образцах это непосредственно атомы исследуемого объек­ та, а в биологических объектах — атомы окрашивающего вещества, которым пропитывают объект (или покрывают его, как в случае негативного окрашивания). Электроны, проходящие вблизи тяжелых атомов, будут отклоняться сильнее, чем электроны, которые проходят вдали от этих атомов или вблизи более легких атомов (биологические объекты содержат преимущественно углерод (атомный номер б), тогда как контрастирующим веществом обычно являются осмий (76), уран (!)2) или свинец (82)). Сильно отклоненные электроны задерживаются объективной апер­ турной диафрагмой, и, следовательно, плоскости изобра­

в плоскости изображения, соответствующие тяжелым ато­ мам, будут выглядеть темнее, и на люминесцентном экра­ не будет видна картина расположения тяжелых атомов. Таким образом изменение направления движения электро­

совместно. Качественный анализ может дать лишь грубую картину того, каким образом эти источники создают контраст на электронном изображении, а соответствую­

щий математический анализ требует применения довольно сложных методов. В последующем рассмотрении этого чрезвычайно важного механизма формирования контраста в основном приводятся результаты и физическая картина

щими параллельно оптической оси. (Напомним, что это было бы возможно на практике только в том случае, если бы все электроны исходили из одной точки и преобразовы­ вались в параллельный пучок с помощью линзы, свободной от аберраций. Таким образом, это является идеализацией, хотя и вполне приемлемой.)

В терминах волновой оптики это соответствует пло­ ской волне, падающей на объект. Для пучка частиц «вол­ нами» являются решения уравнения в частных производ­ ных — уравнения Шредингера, точная форма которого здесь нас не интересует.

Использование комплексных чисел позволяет описать свойства волн в компактной форме, и эта форма записи нашла очень широкое применение. В действительных обозначениях простая одномерная волна описывается гар­ монической функцией вида

/ (z, ^^FoCOS^JtzA —сot),

где X — длина волны, со — угловая частота, F 0 — ампли­ туда волны. Начало отсчета для 2 и t выбирается таким образом, чтобы / (0, 0) — F 0. При любом другом выборе

начала отсчета мы должны ввести в выражение аналогич­ ный член с синусом или в аргумент косинуса включить

ских выкладок, читатель может на стр. 199 познакомиться с их результатами без выводов. Идея, лежащая в основе анализа, широко используется во многих областях физики.