Первые изображения атомов

Мысль о том, что вещество состоит из фундаментальных "кирпичиков", названных атомами, высказывалась еще Левкиппом и Демокритом. Однако на протяжении 2400 лет теория атомов оставалась чисто умозрительным представлением. Были все основания полагать, что эта теория справедлива, однако разглядеть атомы не удавалось даже в самый сильный микроскоп. Увеличение лучших оптических микроскопов в несколько тысяч раз меньше, чем необходимо для этой цели, и даже электронный микроскоп долгое время не позволял увидеть атомную структуру. Только после того, как Эрвин Мюллер из университета шт. Пенсильвания изобрел ионный микроскоп, требуемая степень разрешения была, наконец, достигнута.

Прототипом ионного микроскопа был эмиссионный микроскоп, сконструированный Мюллером в Берлине в 1936 г. Принцип действия этого прибора был довольно оригинальным: изучаемый образец играл здесь не пассивную, а активную роль, принимая участие в формировании изображения. В эмиссионном (автоэлектронном) микроскопе исследуемый образец служит катодом устройства, напоминающего телевизионную трубку, анодом которой является люминесцентный экран. Под действием высокого напряжения, приложенного между катодом и анодом, образец-катод излучает электроны, которые, попадая на экран, создают на нем увеличенное изображение катода. Чтобы уменьшить рассеяние электронов по пути к экрану, в трубке создается невысокий вакуум.

Оказалось, однако, что эмиссионный микроскоп, где для создания изображения используются электроны, обеспечивает разрешение не выше 25 А, т. е. хуже или по крайней мере не лучше, чем в просвечивающем электронном микроскопе. После многолетних экспериментов Мюллер пришел к выводу о необходимости изменить знак приложенного напряжения - так, в 1951 г. был создан первый ионный микроскоп. Здесь к образцу меньшего размера приложен высокий положительный потенциал, чем достигается десятикратное повышение разрешающей способности. Важное отличие ионного микроскопа от автоэлектронного заключается в том, что изображение на экране создается не электронами, вылетающими из исследуемого образца, а ионами газа, заполняющего трубку, которые находятся в непосредственной близости от образца. Десять лет потребовалось на различные технические усовершенствования, и к 1960 г. удалось достигнуть оптимальной разрешающей способности.

Первые изображения атомов

На противоположной странице приводится пример изображения, полученного на ионном микроскопе, работа по совершенствованию которого продолжалась четверть века. Это поверхность кристалла вольфрама, увеличенная примерно в 10 млн. раз, полученная с разрешением 3 А. Отчетливо видна вся структура кристаллической решетки; каждая яркая точка - это атом.

Ионы, с помощью которых создается изображение, образуются в разреженном газе, адсорбирующемся на поверхности вольфрамового анода. Атомы газа (в данном случае гелия) перескакивают по острию, пока не ионизуются, приобретая положительный заряд; после этого они по прямолинейной траектории летят к отрицательно заряженному экрану.

Всякие неоднородности на поверхности анода, естественно, влияют на поведение адсорбирующихся атомов или молекул; поэтому очень важно, чтобы поверхность острия была абсолютно гладкой. К счастью, электрическое поле огромной напряженности (обычно 500 MB/см) само обладает способностью сглаживать поверхность, предварительно отшлифованную химическим путем. Идеальное острие должно быть очень малым, химически чистым, его кончик должен быть полусферически закругленным и абсолютно гладким. Температура острия поддерживается очень низкой (около 20 К), поскольку это повышает разрешение.

Другой снимок, полученный на ионном микроскопе в 60-х годах, приведен слева; это поверхность кристалла иридия, увеличенная в 5 млн. раз. (Большее увеличение достигается удалением острия от экрана или уменьшением его размера, но за это приходится расплачиваться снижением яркости изображения.) Темные пятна cooтветствуют кристаллографическим плоскостям, вдоль которых выстраиваются атомы. Наложенный узор квадратов обусловлен поляризационными эффектами.

Тяжелые металлы типа вольфрама и иридия, кристаллическая структура которых изображена на снимках, первыми исследовались с помощью ионного микроскопа; им и сейчас отдается предпочтение при изучении кристаллических дефектов и дислокаций. Но в наши дни диапазон веществ, исследуемых с помощью ионного микроскопа, охватывает почти все металлы - от бериллия до урана, - а также металлические сплавы и некоторые органические молекулы.

Примерно 1960 г. Юниверсити парк, Пенсильвания, США. Э. Мюллер, университет шт. Пенсильвания Ионный микроскоп; 'рабочий газ' - гелий Т. Цонг, университет шт. Пенсильвания [141, 203, 204, 283]