Чтение онлайн

В 1953 г. Цернике был награжден Нобелевской премией по физике «за обоснование фазово-контрастого метода, особенно за изобретение фазовоконтрастного микроскопа)». «Когда Нобелевская премия присуждается за вклад в классическую физику, — сказал Эрик Хюльтен, член Шведской королевской академии наук, представляя лауреата, — то сам этот факт столь уникален, что в поисках аналогов нам придется вернуться к самым первым Нобелевским премиям», поскольку, за малым исключением, все последующие премии были присуждены «за открытия в области атомной и ядерной физики».

Фазово-контрастный микроскоп Цернике (1938) позволил наблюдать бесцветные организмы, клетки или бактерии без красителей, которые зачастую убивали образцы или меняли их свойства. (Наследники Аббе не обладали его интуицией: когда Цернике предложил им разработку этой идеи, они отказались. Как вспоминал Цернике: «Они сказали, что если бы это имело практическое значение, они бы уже изобрели это сами».)

Область применения оптического микроскопа ограничена, но сам его принцип — расширение волнового поля, прошедшего или отраженного, применим, в принципе, и к волнам других типов. Отсюда следовала возможность использования звуковых волн вместо световых: такие идеи появились уже в 1940-х гг., но работающие устройства (звуковизоры) были построены только в 1970-х.

Первый такой микроскоп спроектировал в начале 1940-х гг. инженер С. Я. Соколов в Ленинграде: он рассчитал, что микроскоп, использующий звуковые волны с частотой 3 000 мегагерц (3-109 Гц), будет иметь такую же разрешающую силу, как оптический микроскоп. В этих расчетах он исходил из того, что ультразвук этой частоты обладает той же длиной волны, что и видимый свет, но, повышая частоту ультразвука, можно добиться и более высокого разрешения. (Длины волн звука и света отличаются при равной частоте примерно в 100 тыс. раз, в отношении скоростей света и звука.)

Интересно и другое применение идейно сходной техники: никто не станет рассматривать в микроскоп большие объекты, а ведь их тоже нужно бывает увидеть — в уменьшенном виде. Сюда, например, относятся детали строения отдельных участков Земли: их можно «просветить» акустическими волнами, только, конечно, большой длины волны, часто инфразвуком, а потом, уменьшив, рассматривать. (Такие методы называются визуализацией акустических полей.)

Основное затруднение заключалось в отсутствии источников высокочастотных ультразвуковых колебаний. Но когда в результате развития радиолокационной техники, а затем и микроэлектроники такие генераторы были созданы, акустические микроскопы были построены и с тех пор активно используются для просмотра непрозрачных объектов и т. д. в промышленности, в контрольных устройствах.

Гипотеза де Бройля и ее подтверждение показали, что всем частицам можно приписать волновые свойства, а это означало, что их можно использовать и в микроскопии. Фактическую базу для таких построений можно было найти в теории У. Гамильтона, который еще в середине XIX в. установил оптико-механическую аналогию, т. е. аналогию между распространением света и движением частиц — мы говорили, что ее использовал в своей работе Э. Шредингер.

В 1926 г. X. Буш рассчитал фокусирующие действия магнитных полей и предложил строить на этой основе магнитные линзы для потоков электронов. Осуществив такие линзы, Эрнст Руска (1906–1988, Нобелевская премия 1986 г.) смог построить электронный микроскоп: поскольку легко получить электронный пучок с длиной волны в 100 тыс. раз короче световой, то и разрешающая сила (увеличение) такого микроскопа должна быть в сто тысяч раз больше!

В 1931 г. он сконструировал подходящую электронную линзу, электромагнит, который мог бы сосредоточить поток электронов точно так, как обычная линза сосредотачивает лучи света. А затем, используя комбинации нескольких таких линз, он завершил изобретение первого электронного микроскопа (1933). В этом приборе поток электронов проходил через тонкую пластину объекта, равномерно расширялся в полях линз и попадал на фотопленку или на флюоресцентный экран, а изображение на них затем можно было добавочно увеличить. Первый коммерческий электронный микроскоп был выпущен фирмой Сименс в 1939 г.

Разрешающая сила современных электронных микроскопов достигает 250 000, разработано и выпускается множество их модификаций: наряду с электронно-лучевой трубкой они являются важнейшим достижением целой дисциплины — электронной оптики (существуют электронные аналоги практически всех оптических устройств). Точнее, нужно отметить, что наряду с электронами можно использовать и ионы, поэтому можно говорить об электронной и ионной оптике.

Микроскоп этого типа называется просвечивающим, позже был изобретен ряд электронных микроскопов других типов. Наиболее оригинальный из них — сканирующий электронный микроскоп: в нем на образец направляется остро сфокусированный пучок электронов и наблюдаются рассеянные на нем электроны. Магнитные катушки перемещают электронный луч по поверхности образца так же, как конденсаторы передвигают электронный луч по экрану телевизора, наблюдатель фиксирует изменения распределения рассеянных электронов и получает объемное изображение поверхности. (Разрешение на сканирующем электронном микроскопе ниже, чем разрешение у просвечивающего микроскопа, так что они дополняют друг друга.)

Однако электронные микроскопы отнюдь не лишены серьезных недостатков: во-первых, интенсивный поток электронов может разрушить исследуемые образцы, во-вторых, поверхность образцов должна сильно рассеивать налетающие электроны, а поэтому ее часто приходится декорировать — напылять на образцы тяжелые металлы, например платину, или же снимать с образцов реплики из металла и уже их, а не образец, снимать под увеличением.

Еще большее увеличение дает безлинзовый автоэлектронный микроскоп, придуманный еще в 1936 г. Э. В. Мюллером (1911–1977). Он задумался над очень простым вопросом: для чего нужно облучать объект электронным пучком — ведь электроны имеются и в самом объекте, т. е. он решил объединить объект и излучатель.

Работа оказалась сложной и заняла много лет, хотя к концу работы идея стала очень простой, как во всех по-настоящему оригинальных изобретениях. Итак, в одном из вариантов, берется металлическая полусфера, к центру которой подведено металлическое острие, если теперь подать на эту систему высокое напряжение так, чтобы острие заряжалось отрицательно, то с острия начнут срываться электроны и устремляться к полусфере. Если эта полусфера идеальна, то вылетающие электроны имеют равную вероятность попасть в любую ее точку, но если на острие имеется, скажем, какая-нибудь молекула, то на экране появится ее тень — увеличение будет определяться отношением радиуса полусферы к радиусу кончика иглы. В таких устройствах Мюллер достиг увеличения в миллионы раз (после каждого снимка приходилось обрабатывать или даже менять полусферы, искаженные потоком электронов).

В 1951 г. Мюллер сконструировал на схожих принципах ионный проектор и смог, впервые, получить снимки биологических молекул, доменов ферромагнетиков, дефектов кристаллической структуры и т. д.

Нобелевскую премию 1986 г. с Эрнстом Руской разделили Герд Бинниг (р. 1947) и Гейнрих Рорер (р. 1933) за создание сканирующего туннельного (или туннелирующего) микроскопа.

Если со времен создания рентгеноструктурного анализа можно было с достоверностью установить положение атомов внутри кристаллической решетки, а более или менее точно и внутри некристаллических тел, то определить расположение частиц на поверхности во много раз сложнее. Исследования в этой области столь сложны, что Вольфганг Паули однажды воскликнул: «Поверхность, несомненно, была изобретением дьявола!»

В 1978 г. Рорер и Бинниг предложили исследовать поверхности с помощью квантово-механического эффекта туннелирования. Это явление, о котором мы говорили в главе о квантовой механике, является одним из проявлений принципа неопределенностей Гейзенберга и состоит в том, что частицы могут «туннелировать», проникать в такие узкие области, проход через которые запрещен классическими законами, в частности тогда, когда им для этого не хватает энергии, как, например, в явлении альфа-распада. Отметим, что этот эффект использовался и для получения множества данных о границах, разделяющих отдельные слои в «сэндвичах» из разных материалов.