На переднем крае микроскопии

В статье под заголовком "Самый мощный микроскоп" книга рекордов Гиннеса сообщает о достижении Лоренса Бартелла и Чарлза Ритца, сфотографировавших электронное облако атома с потрясающим увеличением в 260 млн. раз. Действительно, изображения, полученные ими с помощью двухступенчатого голографического микроскопа, не имеют себе равных по степени увеличения и разрешающей способности.

Принципы голографии, в частности электронной, были сформулированы Деннисом Габором в 1948 г. задолго до того, как появилась возможность осуществить их на практике. Коротко говоря, голография основана на регистрации интерференционной картины, возникающей при наложении двух пучков света - одного, отраженного от объекта, и второго, опорного пучка, - и последующем восстановлении изображения объекта по интерференционной картине. Однако при первых попытках практического осуществления принципа голографии исследователи столкнулись с серьезной трудностью: необходимы были строго когерентные (т. е. согласованные по фазе) и очень узкие пучки. Только с изобретением в 1960 г. лазера у экспериментаторов появился идеальный источник монохроматического когерентного света.

Для электронной голографии потребовался бы, очевидно, электронный лазер, но такого прибора, увы, не существует. Поэтому интерференционную картину приходится получать иным путем. Имея богатый опыт изучения дифракции электронов в газах, Л. Бартелл, работавший на химическом факультете Мичиганского университета, создал двухступенчатый микроскоп. На первой ступени электронно-дифракционная установка создает голограмму, а на второй - изображение восстанавливается с помощью лазерного дифрактометра. В основе действия голографического микроскопа Бартелла лежит тот факт, что пучок электронов сильно рассеивается на атомном ядре и слабо - на окружающей ядро электронной оболочке. Благодаря этому часть исходного пучка, рассеянную на ядре, можно использовать как опорный пучок, в то время как "объектным" пучком служит часть исходного пучка, рассеянная на электронном облаке.

Любопытно вспомнить, что Габор, выступая в августе 1974г. на Международном конгрессе в Канберре, в частности говорил: "Я все жду, когда же кто-нибудь осуществит электронную голографию с высоким разрешением". Это заявление звучит несколько странно, если учесть тот факт, что еще в апреле того же года он узнал о работе Бартелла и Ритца и послал им свои сердечные поздравления.

1975 г. (вверху); 1977 г. (внизу) Мичиганский университет, Энн Арбор, США. Л. Бартелл. Двухступенчатый голографический микроскоп с гелий-неоновым лазером мощностью 3 мВт. Флюоресцентный экран - пленка 'Полароид' (вверху). Промежуточный носитель - голографическая пластинка 'Кодак 131-02' (внизу). Л. Бартелл [24, 25, 26]

В последнее десятилетие голографические методы стали применяться в электронной микроскопии. Однако подход Бартелла был иным. В голографическом микроскопе каждый атом или каждая молекула создают собственную голограмму, и эти голограммы (как и восстановленные изображения) с идеальной точностью накладываются друг на друга. Таким образом, представленные здесь микрофотографии изображают не отдельную частицу, а большое число идентичных частиц, снимки которых наложены один на другой. Другими словами, это восстановленное изображение соответствует "среднестатистическому" атому.

Здесь полезно сделать некоторое отступление, касающееся фотографического аспекта электронных голограмм. После ослабления вращающейся сердцевидной маской интерферирующие пучки создают фотографический негатив на пластинке формата 10 X 13 см, который затем переснимается на "моментальный" позитивный материал "Полароид". "Такая пленка, - пишет Бартелл, - не отличается высоким оптическим качеством, и ее оптическая толщина становится неоднородной после нанесения фиксирующего состава. Поэтому мы делали большое число голограмм, отбирали те из них, которые случайно попадали на оптически однородные участки пленки, и восстанавливали изображение, не фиксируя пленку..." Восстановление производилось с помощью гелий-неонового лазера и объектива с относительным отверстием f/15.

Первым атомом, который удалось сфотографировать, был атом аргона (снимок вверху; время экспозиции увеличивается слева направо), а первой молекулой - молекула пятифтористого мышьяка AsF₅ (снимок внизу слева, а его голографический прообраз - справа). Видимая на снимке "внутренняя структура" - результат инструментальной дифракции, а не электроны на орбитах. Однако внешнее кольцо - это оболочка из пяти атомов фтора, окружающих центральный атом мышьяка. При таком увеличении (в данном случае - в 70 млн. раз) длину связи можно измерить простой линейкой.