Атомная физика добирается до золота

Давнюю мечту о том, чтобы увидеть отдельные атомы, впервые удалось осуществить с помощью ионного микроскопа. К настоящему времени, однако, разработано по меньшей мере еще три метода, открывающих подобные возможности: электронная голография, растровая и обычная просвечивающая электронная микроскопия. Нельзя сказать, чтобы электронная микроскопия сильно отставала с точки зрения разрешающей способности, но на пути к повышению последней пришлось преодолеть немало технических трудностей: электрические и механические нестабильности, тепловое движение молекул в исследуемом образце, повреждение образца электронным пучком, низкий контраст изображения. К 1970 г. многие из этих проблем были решены, и в научных журналах появились первые снимки атомов и молекул. Приоритет здесь принадлежит Альберту Крю из Чикагского университета, работавшему с растровым просвечивающим электронным микроскопом.

По иронии судьбы самый первый тип электронного микроскопа (просвечивающий электронный микроскоп Эрнста Руски, разработанный в 1932 г.) оказался последним в достижении "атомного" разрешения. Традиционный просвечивающий электронный микроскоп действует по тому же принципу, что и его оптический собрат: электронный пучок проходит сквозь тонкий срез исследуемого образца и фокусируется магнитными линзами. К концу 60-х годов предельное разрешение здесь достигло 5 А, вплотную приблизившись к величине, необходимой для наблюдения отдельных атомов, но чуть-чуть не дотягивая до нее. Наблюдение кристаллических структур (см. Дефекты кристаллической решетки) стало уже реальностью, однако отдельные атомы на изображении полностью смазывались.

Первое достоверное изображение атомов, полученное на электронном просвечивающем микроскопе, - яркие точки атомов тория на темном фоне - было опубликовано в 1971 г. Хацуширо Хасимото и его коллегами из университета в Осаке (Япония). Разработав новые методы повышения контраста и фокусировки лучей, они повысили разрешающую способность просвечивающего электронного микроскопа с 2,5 до 0,5 А, что позволяло наблюдать движение отдельных атомов в кристаллах и молекулах. Хасимото утверждал, что его прибор позволяет видеть процесс перестройки атомов вокруг кристаллических дислокаций и даже различать тонкую структуру в изображениях отдельных атомов. Надо ли говорить, что последнее утверждение абсолютно невероятно: ведь в противном случае речь шла бы об изображении ядра с окружающим его электронным облаком!

Кристаллы золота издавна были излюбленным объектом для изучения кристаллической решетки. Еще в 1966 г. Цутому Комода, инженер-исследователь фирмы "Хитачи", экспериментально установил, при каких ориентациях образца (золотой фольги) и просвечивающего пучка достигается наилучшее разрешение и сводятся к минимуму "хроматические" аберрации. Хасимото и его коллеги, работая десять лет спустя с пленками золота, нанесенными на кристаллы каменной соли, смогли повысить не только пространственное, но и временное разрешение. К своему мощному электронному микроскопу они подсоединили телевизионную записывающую аппаратуру, которая регистрировала получаемые изображения с частотой 12 или 30 кадров в секунду (при освещении по методу темного или светлого поля соответственно), обеспечивая общее увеличение более чем в 26 млн. раз.

1979 г. Университет города Осака, Япония X. Хасимото с сотрудниками Электронный микроскоп JEM 120С (100 кВ); видеозаписывающая аппаратура Музей науки, Лондон [55, 134, 151]

Здесь воспроизведен один особенно интересный кадр из этого "атомного телефильма". Каждая белая точка - атом золота, расположенный в кристаллографической плоскости (111). Все атомы золота похожи друг на друга; ничто не отличает один слой кристаллической решетки (А, В или С) от другого. Слои следует представлять наложенными один на другой и идущими с наклоном вверх. (Это изображение по сути представляет собой "вид спереди", соответствующий микрофотографии Ментера на с. 103.) Большинство атомов выстроены в непрерывные цепи (ABC ABC...). Вблизи центра, однако, видна дислокация: один слой атомов сдвинут вбок относительно остальных. Мгновение спустя мы, вероятно, увидели бы, как дислокация распространяется внутри кристалла или же, наоборот, дефект "рассасывается" и атомы возвращаются в нормальное положение. Для физиков подобные фотографии - истинно золотые россыпи.