Электронная микроскопия. Электронная микроскопия является одним из наиболее совершенных методов определения размера и формы коллоидных частиц
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 неотблески, 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
l= h/(mJ), (3.29)
где h -постоянная Планка; m -масса частицы; J -скорость движения. Для электронов, движущихся ускоренно под действием разности потенциалов U, длина волны определяется соотношением
l» 1,23/U1/2. (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.
Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 744 | Нарушение авторских прав
|