от этого предмета, того, что мы называем излучением. Как же можно получить
изображение объекта, причём даже с гораздо более высокой разрешающей
способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими
словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а
частиц?
Забегая несколько вперед, скажем, что электроны проявляют волновые
свойства отнюдь не в меньшей 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, присущими различным предметам. Так в первую
очередь ведут себя электроны во многих приборах и устройствах, широко
применяющихся не только в науке и технике, но и в быту ( в электронных
лампах, кинескопах и других электронных приборах радиоприёмников и
телевизоров.
Современная физика весьма подробно знает «анкетные данные» электрона.
Это отрицательно заряженная частица (e=4,8e-10 CGSE) с массой 9,1e-28 г, но
физики тщательно обходят вопросы, которые иногда хочется задать чрезмерно
любопытным, например о форме электрона, а о его размерах обычно говорят с
оговорками. Звучит эта оговорка примерно так: «классический радиус
электрона составляет ( 10(-13 см, а в рамках релятивистской теории это
вообще точечная частица». Если не касаться определённой группы ситуаций, в
которых электроны ведут себя не по правилам «здравого смысла» (об этом
ниже), то это частицы, поведение которых можно описать и весьма точно
рассчитать по законам механики и теории электромагнетизма, как и любого
другого объекта. Правда, в этих случаях, т. е. тогда, когда ещё не
проявляются закономерности так называемой квантовой механики, приходится
учитывать проявление эффектов теории относительности (релятивистских
эффектов) и в первую очередь возрастание массы электрона с ростом скорости
его движения.
Во многих практических применениях электронных потоков, например в
вакуумных приборах, электроны ведут себя как вполне «нормальные» частицы.
Под действием известной силы, например, создаваемой электрическим полем
между электродами, электрон приобретает ускорение, пропорциональное силе и
обратно пропорциональное его массе. Движущиеся потоки электронов
эквивалентны электрическим токам, поэтому могут эффективно
взаимодействовать с внешними магнитными полями. Таким образом,
электрические и магнитные поля могут существенно влиять на траектории и
скорости электронных потоков, и с помощью таких полей можно управлять
движением электронов. Наука, занимающаяся нахождением траекторий движения
электронов в электрических и магнитных полях, а также расчётом элементов и
устройств, способных формировать нужные поля, называется электронной
оптикой (обратите внимание ( электронной оптикой ).
Более подробный анализ анкетных данных электрона обнаруживает
необычность ряда его свойств. Действительно, если подходить к электрону с
обычными мерками и считать, что он занимает объём V и обладает массой m, то
«плотность вещества в электроне» (((m/V)=(9,1e-28)/(4/3(((r(3)(10(11 г/см(3
(!). Здесь мы считаем электрон шариком с радиусом r порядка 10(-13 см.
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 разлетается под действием сил
расталкивания, выходит далеко за рамки этого реферата(
Если предметам, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни,
достаточно трудно сообщить 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(6e7 см/сек. Таким образом, электроны легче разогнать до
больших скоростей, чем «остановить», т. е. заставить находиться в покое.
Электроны в обычной медицинской рентгеновской трубке тормозятся в
поверхностном слое антикатода, проходя при этом путь в несколько ангстрем.
Отрицательное ускорение на пути s (например, при U(100 кв.) при этом будет
весьма велико:
(((v(2)/(2(s)(10(23 см/сек(2 (!).
Наконец, укажем, что, как правило, в наших приборах для их нормальной
работы необходим электронный поток, содержащий внушительное число частиц
(например, электронному току в 1A соответствует поток электронов в 10(19
частиц в секунду!).
Итак, положение с электронами выглядит своеобразно:
1) есть объект, которым мы умеем управлять и свойства которого
научились использовать;
2) мы достаточно хорошо знаем свойства этого объекта и научились
проводить измерение даже точнее, чем для многих других объектов, с
которыми встречаемся в повседневной жизни и которые можем видеть
невооружённым глазом;
3) никто никогда не видел электронов, но все знакомы с результатами его
действий;
4) с точки зрения «здравого смысла» и на основе сопоставления
результатов очень хорошо поставленных экспериментов электрон
является далеко не тривиальным объектом: плотность электронного
вещества фантастически велика, он является сверх прочным объектом,
способным «противостоять» действию сверхбольших инерциальных и
электрических (кулоновских) сил.
Электроны ( волны!?
Нечего удивляться, что столь «странная личность», какой является
электрон, ведёт себя уже совсем необычно в ряде ситуаций. Эти ситуации
проявляются, во-первых, тогда, когда электронов много или вернее, когда их
много в единице объёма и, во-вторых, когда электроны взаимодействуют с
атомами и молекулами вещества. Эти и ряд других ситуаций характерны для
явлений, рассматриваемых квантовой механикой. Из этой удивительной области
мы упомянем только то, что в ряде ситуаций электрон ведёт себя как волна.
Что это значит?
Мы знаем, что, например, световые волны при взаимодействии с
пространственной периодической структурой претерпевают дифракцию. Точно так
же при соблюдении определённых условий волны могут интерферировать.
Аналогичные свойства наблюдаются у электронов. Так, например, в
определённых условиях электронный поток, взаимодействующий с периодической
пространственной структурой кристалла, образует дифракционную картину,
которую можно зафиксировать на фотопластинке. Известно большое число
фактов, когда электроны проявляют волновые свойства. Более того, советские
учёные В. Фабрикант, Л. Биберман и Н. Сушкин продемонстрировали волновые
свойства отдельных электронов!
Итак, анкетные данные электрона выглядят странно и необычно.
Не вдаваясь в тонкости вопроса о волновых свойствах электронов (как и
других микрочастиц!), скажем, что электрону, движущемуся со скоростью
v(см/сек), соответствует длина волны (=h/(m(v), где m ( масса электрона, а
h= 6,6e-27 эрг(сек ( знаменитая константа Планка.
Так как v=(2(e/m(U), то (=(12,25/U(0,5)A(; здесь U выражено в
киловольтах.
Так, например, при U=100 кв. (=0,037 A(. Таким образом, если
использовать электроны в микроскопии, то дифракционный предел,
обусловленный волновыми свойствами электронов, лежит значительно дальше,
чем в оптической микроскопии. А так как электронами можно управлять с
помощью электрических и магнитных полей, то электронная оптика позволяет
нам заранее рассчитывать такие системы формирования этих полей, которые
способны фокусировать потоки электронов, управлять электронными лучами и
совершать другие необходимые действия.
В нашем распоряжении также имеются люминесцентные экраны, которые
светятся при попадании на их поверхность электронов (вспомним работу
кинескопа в телевизоре!); при попадании электронов на фотопластинку
происходит фотолитическое почернение. Существуют и другие способы
регистрации электронов. Напомним, что электроны способны, кроме того,
проникать сквозь тонкие слои материалов, отражаться и рассеиваться
материалами. Эти свойства электронов и их взаимодействия с полями и
исследуемым веществом лежат в основе электронной микроскопии. Рассмотрим
схемы и особенности устройства электронных микроскопов.
Устройство электронного микроскопа.
Как же устроен электронный микроскоп? В чём его отличие от оптического
микроскопа, существует ли между ними какая-нибудь аналогия?
В основе работы электронного микроскопа (общий вид его приведён на
рис. 3) лежит свойство неоднородных электрических и магнитных полей,
обладающих вращательной симметрией, оказывать на электронные пучки
фокусирующее действие. Таким образом, роль линз в электронном микроскопе
играет совокупность соответствующим образом рассчитанных электрических и
магнитных полей; соответствующие устройства, создающие эти поля, называют
«электронными линзами». В зависимости от вида электронных линз электронные
микроскопы делятся на магнитные, электростатические и комбинированные.
Рис. 3. Электронный микроскоп EM8 фирмы АЕС-Цейсс.
Какого же типа объекты могут быть исследованы с помощью электронного
микроскопа? Так же как и в случае оптического микроскопа объекты, во-
первых, могут быть «самосветящимися», т. е. служить источником электронов.
Это, например, накаленный катод или освещаемый фотоэлектронный катод. Во-
вторых, могут быть использованы объекты, «прозрачные» для электронов,
обладающих определённой скоростью. Иными словами, при работе на просвет
объекты должны быть достаточно тонкими, а электроны достаточно быстрыми,
чтобы они проходили сквозь объекты и поступали в систему электронных линз.
Кроме того, путём использования отражённых электронных лучей могут быть
изучены поверхности массивных объектов (в основном металлов и
металлизированных образцов). Такой способ наблюдения аналогичен методам
отражательной оптической микроскопии.
По характеру исследования объектов электронные микроскопы разделяют на
просвечивающие, отражательные, эмиссионные, растровые, теневые и
зеркальные.
Наиболее распространёнными в настоящее время являются электромагнитные
микроскопы просвечивающего типа, в которых изображение создаётся
электронами, проходящими сквозь объект наблюдения. Устройство такого
микроскопа показано на рис. 4 (слева для сравнения показано устройство
