Микроскопы [1963 Штейнгауз А.И. - Девять цветов радуги]

Граммофонную пластинку или магнитофонную ленту можно проигрывать только в одном направлении. Если же пустить их в противоположную сторону, раздадутся совершенно немузыкальные звуки. Правда, два величайших гения, Бах и Моцарт, сочинили несколько пьес, одинаково звучащих при проигрывании с начала и с конца. Но это не более, чем курьез; не более, чем исключение, подтверждающее правило.

И даже не правило, а закон. Закон, повинуясь которому наш мир является несимметричным во времени. Мы можем заложить металлическую заготовку в токарный станок и путем обработки придать ей нужную форму. Но нет такого станка, нет таких средств, которые помогли бы из выточенной детали и снятой стружки вновь воссоздать ту же самую заготовку.

Есть законы другого типа. Они, разумеется, не нарушают соотношения причины и следствия, потому что действуют в иной области. Основываясь на этих законах, можно создать устройства, в которых определенные процессы могут оказаться обратимыми. Так, некоторые виды электрических машин могут быть источниками электрической энергии, если их роторы вращать с помощью двигателей, но могут, в свою очередь, обратиться в двигатели, если их подключить к источнику электроэнергии. О таких машинах говорят, что они обратимы. В оптике тоже есть обратимые устройства. Одним из них является собирающая линза. Пучок параллельных лучей, пропущенный сквозь нее, соберется в одной точке - в фокусе. И, наоборот, пучок лучей, расходящийся от точечного источника света, установленного в фокусе, пройдя через линзу, превратится в пучок параллельных лучей. Правда, в данном случае обратимость имеет несколько иной смысл, потому что она относится не к процессу, а к ходу лучей.

Нечто подобное происходит и в других оптических устройствах. Наведя фотоаппарат на какую-либо плоскостную картину, мы получим ее изображение на матовом стекле аппарата. Если же вместо матового стекла вставить диапозитив с изображением картины, а на место картины повесить экран, то наш фотоаппарат превратится в проекционный: на экране мы увидим изображение, нарисованное светом, прошедшим сквозь диапозитив и объектив фотоаппарата.

Микроскоп по своей оптической схеме ничем не отличается от трубы Кеплера. Принципиальное отличие состоит лишь в том, что свет в микроскопе движется в противоположном направлении. Длиннофокусный объектив телескопа обращается в окуляр микроскопа, а окуляр телескопа - в короткофокусный объектив микроскопа.

Заглянув впервые в такой перевернутый телескоп, вы, скорее всего, не согласитесь со сказанным, потому что все предметы будут иметь уменьшенные размеры, будут казаться удаленными. Это не должно вас смущать. Увеличения вы добьетесь сразу же, как только поднесете рассматриваемый предмет поближе к объективу. Его надо поместить на дистанции, не превышающей двух, но несколько большей одного фокусного расстояния.

Те, кому удалось соорудить телескоп по рецепту, приведенному в книге, могут легко проверить это. И тогда они убедятся, что сделали не только телескоп, но и микроскоп.

Итак, одна и та же оптическая схема позволяет создать и телескоп и микроскоп. Разница же состоит в том, что в первом случае объект находится на расстоянии, в гигантское число раз превышающем фокусное расстояние длиннофокусного объектива; а во втором - на очень малом расстоянии (между одним и двумя фокусными расстояниями) от короткофокусного объектива. А отсюда вытекает и еще одно различие: в телескопе видимое изображение много меньше удаленных объектов (очень близкие объекты телескоп может и увеличить), а в микроскопе изображение всегда много больше самих объектов.

Оптическая схема и ход лучей в микроскопе

Однако не надо думать, что какой-либо даже самый лучший телескоп может одновременно быть и отличным микроскопом, а микроскоп - телескопом. Это, конечно, не так. На практике и конструкция, и оптические детали телескопов и микроскопов сильно отличаются по своему выполнению, потому что рассчитываются для получения наилучшего изображения для конкретного случая применения. А применение у этих инструментов совершенно различное.

Велики различия в оптике и у разных микроскопов, хотя схема у всех одинакова. Эти различия опять-таки диктуются несходством областей применения микроскопов. Конечно, имеются и универсальные инструменты, которые можно применять даже в очень отличающихся друг от друга условиях. Но этот путь не всегда дает наилучшие результаты. Часто совсем простой, но специально предназначенный для определенных наблюдений микроскоп оказывается более полезным.

Телескопы выполняются в настоящее время по трем оптическим схемам. Микроскопы, практически все,- по одной: по схеме "перевернутой" трубы Кеплера. Таким образом, все они являются рефракторами. Можно было бы делать и микроскопы-рефлекторы. Еще Ньютон собирался построить такой микроскоп, но по каким-то причинам не осуществил своего замысла. Рефлекторы не делались и в последующие годы, так как они не давали никаких преимуществ в сравнении с линзовыми. Только в наше время, вскоре после войны, было построено некоторое количество микроскопов-рефлекторов специально для работы в области коротких ультрафиолетовых лучей. Однако широкого распространения такие микроскопы не получили. Их вытеснили появившиеся в те же годы электронные микроскопы.

Астрономия как наука существовала задолго до изобретения телескопа. После того как он был изобретен, ученые смогли неизмеримо расширить свои познания о Вселенной. Микроскоп позволил сделать большее - открыть мир, о котором люди даже не подозревали. И это открытие вызвало к жизни множество чрезвычайно важных наук.

Первые микроскопы были столь же несовершенны, как и первые телескопы, но все же довольно скоро их удалось улучшить. Знаменитый голландец Антони Левенгук (1632-1723), первый в истории микробиолог, не был профессиональным ученым. Но именно ему удалось построить очень хорошие по тому времени (около 1677 года) микроскопы, дававшие увеличение до 300 раз. С их помощью он впервые наблюдал движение крови в капиллярах, красные кровяные тельца, строение мышц и хрусталика глаза; он открыл и изучил многие микроорганизмы.

Современные универсальные микроскопы

Шли годы, многие оптики трудились над усовершенствованием микроскопов. Качество их становилось все лучшим. Ученые добились устранения окрашивания предметов, свели практически к нулю искажения формы изображения, значительно повысили увеличение и разрешающую силу, то есть различимость мелких деталей изображений. За эти же годы расширилась и сфера применения этих инструментов. Они оказались незаменимыми не только в микробиологии - наука с успехом использует их в самых различных областях. В наши дни микроскоп можно увидеть на рабочем столе биолога и медика, химика и физика, геолога и металлурга, археолога и криминалиста и многих других. Не менее прочное положение заняли микроскопы и в промышленности. Разные производственные процессы и операции технического контроля при изготовлении особо точных и ответственных механических деталей, узлов электронных ламп, транзисторов ведутся с помощью микроскопов. Часто совместно с ними используется фотографическая и даже кинокамера.

Современные микроскопы представляют собой необыкновенно точные и совершенные оптические приборы. Типы и конструкции их весьма разнообразны и определяются областью применения.

Наиболее привычные по виду и, пожалуй, наиболее распространенные микроскопы показаны на первой фотографии. Это так называемые биологические микроскопы, хотя, разумеется, их можно применять и во всех других областях, где это позволяет конструкция осветителя и предметного столика.

На следующей фотографии вы видите микроскоп, используемый на заводах для контрольных и измерительных операций. Обратите внимание на конструкцию предметного столика: на две микрометрические головки, смещающие столик в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, и на угломерный круг с нониусом, позволяющий точно отсчитывать углы поворота столика.

Другим видом микроскопа, применяемого в промышленности, является измерительный микропроектор. Он позволяет проектировать на круглый экран изображения (чаще всего профильные) различных мелких деталей. Размеры изображения могут быть от 5 до 100 раз больше самой детали. На таких проекторах проверяется точность выполнения профиля прецизионных¹ резьб, миниатюрных штампованных деталей и тому подобное. Многие мерительные приборы, обеспечивающие точность отсчета размеров порядка 0,001 миллиметра и выше, включают в свою конструкцию микроскоп.

¹ (Прецизионный - отличающийся высокой точностью.)

Итак, современный микроскоп доведен до высокой степени совершенства. Но, подобно телескопу, его возможности не беспредельны. Более того, они уже в основном исчерпаны. И ждать резкого улучшения оптических микроскопов в будущем вряд ли следует, ибо границы их возможностям установлены самими свойствами света.

Современный микроскоп для производственных нужд

При наблюдении в телескопы одним из ограничивающих полезное увеличение факторов является атмосфера. Для микроскопистов этот фактор не имеет значения. Зато явление дифракции в данном случае играет даже большую роль, чем прежде. Как известно, в телескопах с дифракцией можно бороться путем увеличения диаметра объектива. В принципе это влияние можно свести до сколь угодно малого. Но на практике этому препятствуют огромные технические трудности, возникающие при изготовлении объективов большого диаметра. Эти трудности, однако, не являются принципиально непреодолимыми. То, чего техника не могла сделать в прошлом, сейчас выполняется сравнительно легко, и поэтому можно ожидать, что техника будущего, если потребуется, сумеет еще больше увеличить размеры телескопических объективов.

Что касается наблюдений микроскопических объектов, то здесь полностью устранить дифракционные явления невозможно даже в принципе. Их можно только ослабить. Влияние дифракции в этом случае не уменьшается беспредельно с увеличением диаметра объектива.

Второй метод борьбы с дифракционными явлениями, также дающий лишь ограниченный выигрыш, заключается в том, что объектив микроскопа помещается в прозрачную среду с большим коэффициентом преломления. Для этого используются вода и кедровое масло. Микроскопы, у которых объектив находится й в сильно преломляющей среде, называются иммерсионными.

Микропроектор

Применив все доступные методы борьбы с дифракцией, можно создать микроскопы (и они уже существуют), которые позволят рассматривать объекты с линейными размерами не менее 0,3 λ, где λ - длина волны света, в лучах которого рассматривается объект.

Наш глаз реагирует на свет с длинами волн от 380 до 770 миллимикронов.

Фотография сетчатки глаза человека, полученная с помощью микроскопа

Освещая объект самыми короткими фиолетовыми лучами, мы сможем различить форму объекта с линейными размерами не менее 125 миллимикронов. Обычно в микроскопах используется не монохроматический, а белый свет. Поэтому для оценки влияния дифракции ориентируются на некую среднюю длину волны и полагают, что разрешающая способность соответствует примерно 200 миллимикронам, или 2•10^-5 сантиметра. Это предельно малый размер микроскопического объекта, форму которого еще можно определить. К сожалению, он примерно в 2000 раз больше размера молекулы, и, следовательно, увидеть ее когда-либо с помощью оптического микроскопа не представляется возможным.

Микроскоп помог изучить и строение ствола зрительного нерва. На снимке можно различить даже отдельные волокна зрительного нерва рыбы

Стоит сказать также, что в микроскопе могут быть видны и частицы, имеющие размеры даже в 5 миллимикронов. Для их обнаружения применяется ультрамикроскоп. От обычного он отличается лишь конструкцией осветителя, который освещает частицы боковым светом. При таком освещении эти частицы кажутся яркими точками на темном фоне. Но о форме их по полученному изображению мы судить не можем. Однако часто и такие наблюдения оказываются необыкновенно ценными. Ведь и звезды мы наблюдаем точно такими же.

Цветная микрофотография, полученная в ультрафиолетовых лучах

"Стали все подходить и смотреть: блоха действительно была на все ноги подкована на настоящие подковы, а левша доложил, что и это еще не все удивительное.

Цветная аэрофотография по окраске земной поверхности и по окраске растительного покрова позволяет определять залежи полезных ископаемых

- Если бы, - говорит, - был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, - говорит, - увидеть, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал.

- Никак нет, - отвечает левша, - моего одного и нет.

- А потому, - говорит, - что я мельче этих подковок работал: я гвоздики выковывал, которыми подковки забиты, - там уже никакой мелкоскоп взять не может.

- Где же ваш мелкоскоп, с которым вы могли произвести это удивление?

- Мы люди бедные и по бедности своей мелкоскопа не имеем, а у нас глаз и так пристрелявши".

Как это ни странно, преувеличивать возможности микроскопа свойственно не только художественной литературе. Даже в наше время очень многие продолжают считать, что микроскоп может увеличивать во много тысяч раз. Такое мнение неверно.

Сильно увеличенный глаз ккраба. Он сходен с глазом насекомых, в частности стрекозы, и называется фасеточным глазом

Вследствие дифракции увеличение микроскопов оказывается относительно небольшим. Вернее, его можно получить очень значительным, подобрав для этого соответствующий объектив. Но оно в большинстве случаев будет бесполезным. При очень большом увеличении количество различимых мелких деталей не возрастет, но зато на изображении явственно проступят дифракционные узоры. И даже опытные микроскописты, у которых "глаз пристрелявши", нередко впадают в ошибку, принимая их за изображение мелких деталей самого объекта.

Так выглядят под микроскопом клетки

Вот что пишет по этому поводу Г. Г. Слюсарев в своей книге "О возможном и невозможном в оптике":

"...полезное увеличение микроскопа не превышает 300-500 раз. И здесь, как и в телескопических системах, можно идти на удвоение и даже на утроение этих чисел. Все же увеличения, превышающие 1000, явно бесполезны и даже вредны: в них дифракционные явления ясно выступают, добавляя свой рисунок к контурам рассматриваемых объектов и являясь причиной всяких ошибок и недоразумений.

Это не фотография драгоценных браслетов и ожерелий. Вы видите микрофотографию крошечных водных организмов - планктона

Вообще плохое знакомство с оптикой приводит не только молодых, неопытных работников, но и ученых с мировым именем к ошибкам иногда очень крупным. Ряд объектов, имеющих огромный интерес для биологии, зоологии, цитологии (науки о клетке), имеет размеры, лежащие как раз несколько ниже наименьшего разрешаемого расстояния. При умелом обращении с микроскопом эти объекты могут быть обнаружены, но очевидно, что при этом крайне легко стать жертвой оптического обмана. Такие случаи бывали и не раз будут повторяться, до тех пор пока всем работающим с микроскопом не станет ясно, что смотреть изображение в окуляре микроскопа, не зная его теории, так же трудно, как читать книгу на малознакомом языке".

Один из способов повышения разрешающей силы микроскопа и, следовательно, максимально возможного увеличения является уменьшение длины волны света, в лучах которого исследуется объект. Первым препятствием для укорочения волны является нечувствительность нашего глаза к ультрафиолетовым излучениям. Заменяя глаз фотопластинкой, можно значительно продвинуться в область ультрафиолетовых лучей и тем самым повысить разрешающую способность и полезное увеличение микроскопа. Очень больших успехов в деле создания ультрафиолетовых микроскопов добился советский ученый Е. М. Брумберг.

Такие микроскопы довольно часто применяются учеными, но они имеют один немаловажный недостаток - исследуемый объект можно увидеть только после проявления фотографий. Поэтому в настоящее время в ультрафиолетовый микроскоп вводят еще одно важное устройство- преобразователь изображения. С его помощью недоступное глазу изображение в ультрафиолетовых лучах превращается в видимое. Преобразователи такого рода основаны на хорошо известном явлении фотоэффекта.

А пока вернемся к очень интересному методу цветной ультрафиолетовой фотографии микроскопических объектов.

По существу, ни о каких естественных цветах в этом случае говорить нельзя. Но очень часто для лучшего различения мелких деталей объекта и определения оптических свойств отдельных его частей объект фотографируют в различных участках спектра ультрафиолетовых лучей. Можно условно назвать самые длинноволновые из них красными, промежуточные - зелеными, а самые коротковолновые - синими. Три негатива, полученные таким способом, можно использовать для получения цветного отпечатка. Изображение такого рода может оказаться гораздо более подробным: участки красного цвета на нем будут соответствовать тем местам изображения, где от объекта приходило много длинноволновых ультрафиолетовых лучей; зеленые цвета покажут, где приходило много промежуточных лучей, и так далее. Зная теорию смешения цветов, вы можете судить о составе лучей и в тех местах, где имеются отличные от исходных хроматические цвета. Одна из фотографий подобного рода приведена здесь.

Ультрафиолетовые микроскопы Брумберга позволяют примерно вдвое повысить разрешающую способность и полезное увеличение микроскопа. К сожалению, идти по пути еще большего укорочения световых волн затруднительно, вследствие того что большинство объектов очень сильно поглощает короткие ультрафиолетовые лучи. Кроме того, возникают трудности и иного рода. Они уже связаны с оптическими свойствами стекла: с сильным поглощением ультрафиолетовых лучей в стекле.

В последние годы в микроскопии стал широко использоваться и другой участок диапазона невидимых световых лучей - инфракрасный. Разрешающая сила микроскопов и полезное увеличение при работе в этих лучах, естественно, снижаются, но цель применения инфракрасных лучей в микроскопии другая; эти лучи позволяют вести такие исследования, которые раньше казались совершенно невыполнимыми. Оказывается, что многие органические и неорганические вещества, непрозрачные для лучей видимого света, хорошо пропускают инфракрасные. Это позволяет исследовать их микроструктуру с помощью специальных инфракрасных микроскопов.

Модель инфракрасного микроскопа была создана электрофизической лабораторией Института металлургии Академии наук СССР в 1956-1957 годах. Эта модель хорошо зарекомендовала себя, и с 1960 года начался выпуск инфракрасных микроскопов "МИК-1".

Микроскоп этого типа позволяет проводить наблюдения как в видимых, так и в ближней зоне (до 1200 миллимикронов) инфракрасных лучей. Наблюдение может вестись в отраженном и проходящем свете. В микроскопе имеется преобразователь, и поэтому изображение можно наблюдать непосредственно или фотографировать.

Мы привыкли считать металлы непрозрачными, и действительно нам никогда не приходилось видеть их иными. И, если бы к кому-либо из нас попал чистый кремний (силиций) или чистый германий (экасилицием называл его Менделеев, предсказавший существование этого химического элемента), мы, глядя на блестящие серебристые кусочки этих металлов, и не подумали бы, что они прозрачны. На самом же деле они очень хорошо пропускают свет, но не видимый, а инфракрасный.

В наши дни кремний и германий - металлы новейшей радиоэлектроники.

Именно из кристаллов этих химических элементов делаются многие полупроводниковые устройства: диоды, фотодиоды, транзисторы, фототранзисторы, солнечные батареи для спутников, элементы холодильных устройств. Для их изготовления кремний и германий должны быть полностью очищены от различных примесей, а их кристаллическое строение не должно иметь никаких дефектов. Получение химически чистых крупных кристаллов - одна из самых сложных задач, когда-либо решавшихся металлургией. И поэтому не случайно, что инфракрасный микроскоп создали не в каком-либо оптическом институте, а в Институте металлургии, где он, по-видимому, был наиболее необходимым.

Инфракрасный микроскоп позволяет заглянуть внутрь кристаллов кремния и германия. Он дает возможность более глубоко изучить возникающие дефекты и тем самым найти пути их устранения. На помещенной здесь фотографии, сделанной с помощью "МИК-1", видно изображение кристалла кремния; темные загнутые линии и есть дефекты его строения.

Итак, инфракрасные лучи позволили проникнуть в толщу непрозрачных для обычного света веществ. Но при этом разрешающая сила и полезное увеличение микроскопа упали. И, видимо, у большинства читателей уже давно возник вопрос: "Почему же для этих целей не были использованы рентгеновские или гамма-лучи, которые практически проникают через все вещества и в то же время имеют очень короткие длины волн?"

Вопрос этот совершенно справедливый. Действительно, микроскоп, работающий на этих лучах, имел бы очень высокую разрешающую способность. С его помощью можно было бы увидеть даже молекулы.

Ученые пытались строить рентгеновские микроскопы. И они уже существуют. Но пока еще не созданы такие инструменты, которые могли бы сравниться по качеству с обычными микроскопами.

Сложность заключается в том, что науке неизвестен какой-либо материал, который мог бы преломлять рентгеновские или гамма-лучи подобно тому, как преломляет стекло обычные световые волны. Делались попытки использовать вместо линзовых рефлекторные схемы, но и на этом пути не добились большого успеха. Зеркало, которое великолепно отражает лучи видимого и даже ультрафиолетового света, для рентгеновских лучей представляет собой не гладкую отражающую, а изрытую глубокими бороздами и ямами поверхность. Это происходит потому, что неровности, которые были неощутимы для довольно длинных волн видимого света, становятся соизмеримыми и даже превышают длину волны рентгеновского и гамма-излучения. Поэтому полировка зеркал для таких коротковолновых лучей требует необыкновенной, недостижимой по разным причинам чистоты поверхности. Но это еще не вся трудность. Не менее существенно и то, что рентгеновские лучи могут отражаться от зеркал только в том случае, если углы их падения отлогие. При достаточно крутых углах отражения не происходит даже и при хорошем зеркале - лучи проникают в его толщу.

Фотография дефекта в кристалле кремния, полученная в инфракрасных лучах с помощью микроскопа 'МИК-1'. Эту фотографию сделали сотрудники Института металлургии Академии наук СССР

И все же именно рентгеновским лучам мы обязаны тем, что смогли представить себе строение молекул различных химических соединений. Только сделали это не с помощью каких-либо микроскопов, а иным путем - с помощью явления дифракции. Того самого явления, которое справедливо считается злейшим врагом всех микроскопистов и не позволяет нам видеть в микроскопе не только молекулы, но и куда более крупные объекты.

Зато при рентгеновских исследованиях структуры вещества дифракция принесла огромную пользу. Изучение дифракционных картин кристаллов позволило ученым найти методы определения структуры вещества по этим картинам.

Пример с явлением дифракции наталкивает нас на очень важную мысль. В природе нет явлений абсолютно вредных или абсолютно полезных. Каждое из них может проявлять себя по-разному. Всем известно, что трение в колесных осях вагонов заставляет локомотив расходовать много лишней энергии даже на ровных участках дороги. И поэтому с трением всячески борются, стараясь свести его до минимума. Но в то же время, если бы трения вовсе не было, локомотив вообще не мог бы двигаться, его колеса буксовали бы на месте.

Говорить о том, что было бы, если бы какой-либо из физических законов изменился или вовсе исчез, почти всегда беспредметно. Физические законы не зависят от воли человека. Зато именно от воли, от силы его ума и от изобретательности зависит такое использование этих законов, которое может принести пользу. И в тех случаях, когда какой-нибудь закон встает перед человеком непреодолимой преградой, он силой своего разума находит решение задачи, опираясь на тот же самый или на другой физический закон.

Теперь мы уже знаем, что именно законы света не позволяют нам повышать разрешающую способность и увеличение оптических микроскопов. На этом пути сделано уже все или почти все, что можно сделать при современном уровне развития науки.

Но нет ли другого пути, нет ли других явлений, которые помогли бы нам сделать то, чего не позволяет свет?

Мы можем ответить на поставленный вопрос. Для этого стоит лишь вспомнить, что известно науке о природе света. Свет, говорит она, обладает и свойствами волны, и свойствами частицы.

Но нет ли другого, физического объекта, обладающего сходными свойствами? Есть. И мы знаем его. Электрон проявляет себя точно так же - он и частица и волна.

Но если это так, нельзя ли создать микроскоп, в котором вместо световых волн использовались бы волны, связанные с электронами?

Да, можно. И даже необходимо, потому что длина волны, связанной с электронами, может быть сделана поразительно малой, даже меньшей, чем у рентгеновских лучей. И, следовательно, разрешающая способность такого электронного микроскопа может оказаться чрезвычайно высокой.

Мысль о создании электронного микроскопа, вероятно, возникла вскоре же после открытия, сделанного Луи де Бройлем в 1924 году. Он предсказал тогда, что электроны должны обладать волновыми свойствами. И вскоре это предсказание подтвердилось экспериментально - ученые обнаружили явление дифракции электрона.

Схема электронного микроскопа. В принципе она не отличается от схемы оптического микроскопа, но роль линз в данном случае выполняют специальные электромагнитные катушки

Однако от идеи микроскопа до ее практического осуществления было еще далеко. Ученым предстояло создать второй необходимый компонент электронного микроскопа - линзы. Ведь обычные линзы непригодны для преломления электронных пучков. К счастью, с такими линзами дело обстояло гораздо проще, чем в случае рентгеновских лучей, ибо, в отличие от электромагнитных волн, электронные пучки могут отклоняться в электрическом и магнитном поле.

Разработка теории и практическое осуществление различных систем электронной оптики заняли немало времени, и только к началу второй мировой войны были созданы первые более или менее удовлетворительные образцы электронных микроскопов. В них лучи света были заменены пучками электронов, а стеклянные линзы - системами электромагнитных катушек и электродов, подключенных к источникам электрического напряжения. Но ход лучей-электронов и электронно-оптическая схема в этом микроскопе оставались такими же, как и в оптическом.

Электронный микроскоп

Конечно, конструкция нового типа микроскопа совершенно иная. Электронный микроскоп значительно сложнее и по своим размерам гораздо больше оптического. Это прежде всего объясняется тем, что пучок электронов может беспрепятственно перемещаться только в пустоте. Поэтому в трубе электронного микроскопа поддерживается очень высокий вакуум. Свет не может не двигаться, а электроны обязательно нужно ускорять. Для этого в электронном микроскопе имеется специальная ускоряющая система, на которую от высоковольтного источника подается электрическое напряжение. Так, в электронном микроскопе типа "УЭМ-100" это напряжение достигает 100 тысяч вольт. Длина волны, связанной с электроном, при таком ускоряющем напряжении равна всего лишь 0,039 ангстрема, или 3,9•10^-10 сантиметра.

Если бы разрешающая способность в электронном микроскопе ограничивалась только явлением дифракции, то можно было бы рассматривать даже молекулы. К сожалению, разрешающую способность значительно снижают сами линзы микроскопа. По своим качествам они несравненно хуже оптических, и в настоящее время еще не найдены пути устранения их недостатков. Поэтому разрешающая способность современных электронных микроскопов далека еще от теоретически возможного предела и пока достигает только единиц ангстремов. Но и эта вели чина в несколько сот раз превышает разрешающую способность оптических микроскопов. Кроме того, в некоторых типах электронных микроскопов, помимо обычных наблюдений, можно также проводить и дифракционные исследования. Получающиеся при этом изображения дифракционных картин - электронограммы - дают ученым возможность изучать строение кристаллов и молекул, недоступное иным способам наблюдения.

Негативное изображение клетки листа томата, пораженного вирусом табачной мозаики. Фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР

Увеличение современных электронных микроскопов достигает многих десятков тысяч. Оно является произведением двух увеличений - электронно-оптического и фотографического. В электронном микроскопе типа "УЭМ-100" изображение фотографируется на пластинку размером 6X9 сантиметров. При печати это изображение может быть дополнительно увеличено. Общее увеличение в 50-75 тысяч раз еще не является пределом.

Бактерии и фаговые частицы. Фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР

Такое увеличение необычайно велико. Для того чтобы вы лучше представили себе это, стоит сказать несколько слов о подготовке срезов, которые изучаются с помощью электронного микроскопа. Операция эта очень тонкая, и ее невозможно контролировать даже с помощью сильного оптического микроскопа. Рассматриваемый на просвет срез должен иметь очень малую толщину. Толщина, если в данном случае можно воспользоваться этим словом, среза может достигать всего лишь 10 миллимикронов, то есть она в 38 раз меньше самой короткой длины волны видимого света. Такая величина находится на пределе разрешающей способности электронного микроскопа.

Электронограмма - картина дифракции электронов на кристалле. Сравните этот снимок со снимком дифракции света, помещенным в первой главе. Электронограмма была сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР

Такие сверхтонкие срезы делаются с помощью специального устройства, так называемого ультрамикротома. Ультрамикротом позволяет делать срезы толщиной от 10 до 150 миллимикронов, причем она может устанавливаться в указанных пределах с точностью до 5 миллимикронов. Это точность, которой пока не требуется даже в самых новейших металлообрабатывающих станках. Ножи ультрамикротома, сделанные из специального стекла или алмаза, позволяют делать срезы не только мягких тканей, но даже и металлов. Максимальная площадь поверхности среза достигает размеров 3X4 миллиметра.

Кристаллы бета-каротина. Эта фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР

Здесь помещены изображения различных объектов электронной микроскопии и одна электронограмма.

На первой фотографии дается негативное изображение клетки (одной клетки!) листа томата, пораженного вирусом табачной мозаики. Червеобразные линии, видимые в полости клетки, и есть вирусные частицы. На второй фотографии видны изображения бактерий со жгутиками и несколько фаговых частиц. Сами бактерии можно было бы увидеть и в обычном микроскопе, но ни их жгутики, ни фаговые частицы в этом случае не могли бы быть обнаружены. На третьей фотографии дано изображение кристаллов органического вещества - бетакаротина. Как видите, эти кристаллики очень малы сами по себе. Каким же путем можно исследовать их строение? Помощь может оказать изучение электронограмм, или дифракционных картин, полученных от этих кристаллов. Однако это оказывается не простым делом, так как пучок электронов, разогнанных в ускоряющем электростатическом поле микроскопа, легко разрушает строение кристаллов органических соединений биологического происхождения. Лишь совсем недавно ученым удалось получить электронограммы подобных объектов.

Негативное изображение клетки листа томата, пораженного вирусом табачной мозаики. Фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР.

Бактерии и фаговые частицы. Фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР.

Для нас с вами электронограмма особенно интересна тем, что картина дифракции электронов, очень хорошо видимая на ней, совершенно аналогична картине дифракции света, которую мы наблюдали раньше.

Здесь были приведены изображения объектов, исследуемых в биологии. Но электронный микроскоп используется так же широко и в других областях науки и техники; его с успехом применяют и физики, и химики, и металлурги, и другие.