Как выглядит атом

Многие отрасли современной науки буквально немыслимы без микроскопов. Но требуются все большие увеличения, и в наше время основным прибором в области изучения микроскопических объектов стал электронный микроскоп — прибор, работающий на абсолютно ином принципе.

После открытия дуализма волн-частиц стало ясно, что объект можно «освещать» пучками ускоренных электронов. Энергичные пучки частиц могут проникать сквозь толстые образцы, а это очень важно при изучении свойств материалов, потому что если брать очень тонкие образцы толщиной порядка микронов, то у них все атомы находятся вблизи от поверхности и свойства их могут отличаться от тех, которые расположены в глубине.

Второе преимущество энергичных проникающих частиц — возможность изучать толстые биологические образцы без нарушения важных связей между клетками, да и разрушающее воздействие таких лучей меньше.

В США создан специальный центр электронной микроскопии, один на миллион, а другой на полтора миллиона электрон-вольт. Микроскопы эти называются «приборы с атомным разрешением»: с их помощью можно добиться разрешения меньше одного ангстрема и различать единичные атомы. Кроме того, они качественно отличаются от своих предшественников еще и тем, что их рабочий объем сделан довольно большим, в виде мини-лаборатории, где можно повышать температуру и давление.

Это позволяет непосредственно изучать процессы образования сплавов, окисления металлов, взаимодействия газов с твердыми веществами. Кроме многочисленных преимуществ, у новых приборов есть и недостаток, не позволяющий безгранично увеличивать энергию пучка электронов. Высокое напряжение надо поддерживать с высочайшей точностью, чтобы все электроны в пучке имели одинаковую энергию — длину волны, а иначе изображение будет расплываться. Это явление в оптике носит название «хроматическая аберрация». На приборах с атомным разрешением с помощью сложной системы обратной связи удается выдерживать миллион вольт с точностью до одной десятой вольта.

Самые первые задачи, которые позволят решать новые микроскопы,— это исследование структур атомов в кристаллах и изучение биологических мембран.