Хейденрайх Р. Основы просвечивающей электронной микроскопии
Подождите немного. Документ загружается.
FПl1dашеl1tаls
of
Тrаl1sшissiОl1
Electrol1 Microscopy
Robert D.
HEIDENREICH
м
еmЬе!'
0/
tl~e
Teclmical
Sta//
ВеН
Telephone
Laborato/'
i&s
,
In
c.,
Мuпау
нт,
New
Jer
sey
INTERSCIENCE
PUBLISHER
S
NEW
YORK,
LONDON,
SYDNEY
1964
Р.
ХЕЙДЕНРАЙХ
ОСНОВЫ
ПРОСВЕЧlIВАЮЩЕИ
а.1IЕRТРОНIIОЙ
МИКРОСКОПИИ
П
еревод
с
аNгЛUЙСl;ого
В.
М.
НАРДОНСIЮГО
и
А. Г.
ХАЧАТJlРЯНА
и
3
Д
А
Т
Е
Л
Ь
с
т в о
«1\1
ИР»
Мосnеа
1966
УДК
537.533.35+539.25
2.3.4
Электронная
микроскопия
является
одним
из
мощных
методов
научного
исследования
и
в
пастоящее
время
плодо
творно
применяется
в
физике,
химии,
биологии,
технике.
Предлагаемая
книга
извеетного
америн.аНСIЮГО
физИIЩ
Р.
Хейденрайха
посвящена
теории
просвечивающей
(транс
миссионной)
электронной
микроскопии.
В
ней
систематически
изложены
теоретические
основы
методов
получения
изображе
ния
I{ристаллических
и
аморфных
объектов.
Подробно
рассматри
ваютея
дифракция
электронов,
механизмЫ
формирования
",.,..,{
изображения
(фазовый
и
амплитудный
контрает, контрает,
обу-
....
'у
словленнЫЙ
эффективной
толщиной),
потери
энергии,
евя~
"
занные
е
возбуждением
плазмы
и
электронов
внутренних
обо-
-'.'
лочеl{
атоМОв,
и
влияние
их
на
изображение.
Отдельные
главьС,
,,~
посвящены
теории
дифрющионного
контраста,
качеетву
изобра-
,
,,,,'"
жения
и
разрешению.
Теоретические
результаты
всюду
сопо-
/"""
етавляютея
с
многочисленными
экспериментальными
данными.'
Книга
рассчитана
на
широкий
круг
научных
работнИIЮВ,,
использующих
электронно-микроскопичееI{ие
методы
иселе-
'"
дования,
а
также
тех,
кто
занимается
разработкой
электронных
микроскопов
и
электронной
оптикой.
Книга может
служить
дополнительным
учебным
пособием
для
студентов
и
аспиран
тов,
специализирующиХСЯ
в
области
элеl~ТРОННОЙ
микроскопии
или
ее
прпменениЙ.
Редакция
литературы
по
физике
Предисловие
переВОДЧИRОВ
в
последние
годы
в
самых
различных
областях
научных
и
тех
нических
исследований
начал интенсивно
применяться
метод
про
свечивающей
электронной
микроскопии.
Это
обусловлено
в
основ
ном
двумя
причинами.
Во-первых,
модернизацией
электронных
микроскопов,
стандартные
образцы
которых
работают
при
уско
ряющем
напряжении
о
до
100
кв
и
обеспечивают
разрешающую
спо
собность
до
5-10
А
и
получение
дифракционной
картины
от
выбранного
места
образца
(площадью
порядка
нескольких
квад
ратных
микронов),
и,
во-вторых,
развитием
и
усовершенствова
нием
методов
препарирования,
что
значительно
облегчило
при
готовление
образцов
и
дало
возможность
проводить
прямое
элек
тронно-микроскопическое
исследование
самых
разнообразных
объектов
-
от
органических·
структур
до
тяжелых
металлов.
При
современном
состоянии
оборудования
(микроскопов,
устройств
для
получения
прозрачных
для
электронов
объектов
и
т.
д.)
элек
тронно-микроскопические
исследования
в
состоянии
проводить
даже
небольшие
лаборатории,
а
в
силу
того
что
при
этом
можно
изучать
такие
характеристики
объекта,
которые
в
настоящее
вре
мя
нельзя
исследовать
другими
стандартными
методами,
можно
ожидать,
что
просвечивающая
электронная
микроскопия
вскоре
станет
таким
же"распространенным
методом,
как,
например,
рент
геноструктурныи
анализ.
Информация,
получаемая
с
помощью
современного
электрон
ного
микроскопа,
не
ограничивается
только
сведениями
о
геометри
ческих
характеристиках
объектов, что
свойственно
световой
микро
скопии,
но
и
включает
в
себя
данные
о
кристаллографии
объекта
и
(в
силу
специфических
особенностей
излучения)
о
несовершен
ствах
строения
объекта.
Последнее
оказалось
весьма
важным
при
изучении
кристаллических
материалов,
так
как
позволило
иссле
довать
микронарушения
правильной
периодичности
кристалли
ческой
решетки
и
ставить
комплексные
работы
по
нахождению
кор
реляции
между
макросвойствами
объектов
и,
например,
дислока
ционной
структурой.
Таковы
многочисленные
работы
по
проблеме
упрочнения
металлов,
в
которых
изменение
механических
свойств
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
ПЕРЕВОДЧИНОВ
связывается
с
возникновением
определенной
:конфигурации
и
плот
ности
дефектов
I~ристаллического
строения.
Все
это
в
совокупности
выдвинуло
электронную
МИКРОСI~ОПИЮ
в
ряд
важнейших
методов
исследования
во
многих
областях
нау
ки,
и
поэтому
число
работ,
опубликованных
в
последние
годы,
в
которых
так
или
иначе
использовался
этот
метод,
составляет
несколько
сотен
наименований,
причем
в
ряде
случаев
были
полу
чены
весьма
принципиальные
результаты.
R
таким
можно
отнести
исследования
морфологии
и
физиологии
клетки,
строения
виру
сов,
сложных
органичеСI\ИХ
молекул,
работы
Дж.
Ментера,
кото
рый
первым
получил
изображения,
соответствующие
кристалли
ческим
плоскостям,
и
непосредственно
показал
наличие
лишних
полуплоскостей,
с
которыми
связывается
понятие
о
краевых
дисло
кациях
в
кристаллах.
В
связи
с
постоянным
совершенствованием
метода
можно
думать,
что
исследование
весьма
тонких
явлений
и
даже
наблюдение
<<Отдельных»
молекул
и
а
томов
не
обойдется
без
соответствующего
применения
электронной
микроскопии.
При
электронно-микроскопическом
исследовании
неоргани
ческих
кристаллов
(в
основном
металлических),
для
которых
характерны
малые
межплоскостные
расстояния
(для
этих
объек
тов
наименьший
угол
отражения
28
мин
-;::::::;:,л/d
больше
апертурного
угла
объективной
линзы,
и
поэтому
апертура
отсекает
все
дифра
гированные
пучки),
было
показано,
что
изображение
объекта
может
быть
получено
даже
в
одном
лишь
прошедшем
пучке.
В
этом
случае
возникает
так
юfзываемый
«дифракционный
кон
траст».
Размеры
деталей
подобного
изображения
не
соответствуют
непосредственно
расстояниям
в
объекте,
а
определяются
дифрак
ционными
условиями,
и
поэтому
для
теоретической
интерпрета
ции
таких
изображений
необходимо
привлечь
теорию
дифракции
электронов,
и
в
частности
динамичесн:ую
теорию.
Метод
дифран:
ционного
контраста
был
интенсивно
применен
для
исследования
различного
типа на
рушений
кристаллического
строения.
При
получении
изображений
деталей
объен:та,
разделенных
расстояниями
порядн:а
ангстрема,
основным
является
механизм
фазового
контраста,
формирующегося
при
соединении
прошед
ПIего
и
дифрагированных
пучн:ов
в
плоскости
изображения.
Именно
тан:им
способом
и
были
получены
изображения,
соответ
ствующие
межплосн:остным
расстояниям
н:ристаллов.
И
n
этом
случае
основой
для
трактовн:и
контраста
является
дифракцион
ная
теория.
Таким
образом,
научная
трактовка
И;Jображений
возможна
лишь
на
основе
детального
знан:омства
с
теорией
про
свечивающей
элен:тронной
МИН:РОСКОПИИ.
Рассмотрению
формирования
элеКТРОННО-МИJ\рос,I\опического
изображения
посвящено
большое
число
статей
II
ДОIШ8ДОП,
что
объясняется
актуальностью
вопроса.
Однако
дО сих
нор
не
было
ПРЕДИСЛОВИЕ
ПЕРЕВОДЧИНОВ
7
НИ
ОДНОЙ
книги,
в
которой
на
современном
уровне
последовательно
И8JI&галась
бы
теория
формирования
изображения,
вопросы
каче
ства
изображения,
разрешения
и
т.
д.
У
нас
опубликован
p~д
оригинальных
и
переводных
книг
по
электронной
микроскопии
),
НО
эти
вопросы
в
них
либо
совсем
не
разбираются,
либо
рассма
три
ваются
кратко
и иллюстративно.
Одна
из
последних
книг
(Тома
са)
может
рассма
трива
ться
лишь
как
введение
в
теорию
формиро
вания
элен:тронно-микроскопического
изображения
(что
отмеча~т
в
предисловии
и
сам
автор).
Таким
образом,
монография
Хеи
денрайха,
посвященная
рассмотрению
именно
этого
круга
вопро
сов,
появилась
весьма
своевременно.
Автор
книги
-
один
из
основоположников
метода
просвечи-
вающей
микроскопии
-
хорошо
известен
специалистам
своими
работами
в
области
физики
твердого
тела
(совместно
с
IПокли
им
были
предсказаны
дефекты
упаковки,
получено
первое
элек
тронно-микроскопичесн:ое
изображение
металлической
фольги
и
т.
д.)
И
теории
алектронноli
микроскопии.
Говоря
о
достоинствах
предлагаемой
книги,
необходимо
отме
тить
строгость
изложения,
основанного
на
общих
физических
закономерностях,
и
логичность
построения.
За
исключением
гл.
3,
которая выпадает
из
общего
порядка
(и,
вероятно,
гл.
11
и
12,
носящих
характер
приложений),
в
книге
последовательно
разви:
вается
представление
о
связи
между
картиной
рассеяния
взаднеи
фокальной
плоскости
объективной
линзы
и
изображением.
При
чем,
несмотря
на
то
что
автор,
вероятно
в
силу
профессиональ
ных
интересов,
основное
внимание
уделяет
формироваНИЮ"изобра
жений
кристалличесн:их
структур,
на
протяжении
всеи
книги
подчерн:ивается
общность
подхода,
а
отчасти
и
получаемых
резуль
татов.
Это
делает
книгу
полезной
не
тольн:о
для
физин:ов,
НО
И для
специалистов
самого
различного
профиля
(би~логов,
химик~в
И
т.
д.),
занимающихся
прикладной
электро~нои
микроскопиеи.
Нак
и
во
всякой
монографии,
посвященнои
довольно
сложно
му
и
обширному
вопросу,
относительная
ценность
отдельных
глав
книги
неодинакова.
В
гл.
1
вводятся
понятия
сечений
рассеяния,
показываетс~
связь
между
ними
и распределением
интенсивности
в
задне:и
фокальной
плоскости
объективной
линзы
и контрастом
на
изобра
жении;
кроме
того,
рассматривается
формирование
изображений
аморфных
и
квазиаморфных
объектов
и
подчеркивается
связь
меж
ду изображением
и
дифракционной
картиной.
1)
См.,
например,
«Электронная
микроскопию>
под
ред.
акад.
А. А.
Лебе
дева,
М.,
1954;
В.
М.
Л
у
к
ь
я
н
о в
11
ч,
Электронная
микроскопия
в
физико
химических
исследованиях,
М.,
1960; 3.
Л
ей
3
е
г
а
н
г,
Электронная
микроскопия,
М.,
1960;
г.
Т
о
м
а
с,
Электронная
МИКРОCIшпия
металлов.
М.,
1963.
8
ПРЕДИСЛОВИЕ
ПЕРЕВОДЧИКОВ
В
гл.
2
дано
несколько
поверхностное
изложение
методов
вычисления
сечений
рассеяния.
Читатели,
интересующиеся
этим
вопросом,
могут
найти
более
полное
И
последовательное
изложе~
ние
теории
в
курсах
квантовой
механики
1),
анепосредственное
применение
-
в
оригинальных
работах.
Гл.
3
посвящена
обзору
возможностей
MeTOДO~
исследования
сравнительно
крупных
деталей
объекта
(больше
10
А)
И
без
ущерба
может
быть
опущена
при
первом
чтении,
так
же
как и
гл.
11
и
12,
где
рассматриваются
изображения
отклоняющих
полей
и
метод
электронно-зондового
микроанализа.
В
гл.
4
И
5
излагаются
основы
теории
волнового
движения
и
квантовомеханического
описания
процессов,
протекающих
при
формировании
изображения.
Здесь
следует
выделить
параграф,
посвященный
когерентности,
И
анализ
фаЗ0ВЫХ
соотношений
меж
ду
прошедшим
И
дифрагированными
пучками,
необходимых
для
реализации
максимального
фаЗ0ВОГО
контраста
(в
параграфе,
посвященном
теории
Аббе).
Как
известно,
в
электронной
микроскопии
используются
элек
троны,
обладающие
энергиями
того
же
порядка,
что
и
энергии
спектра
возбуждений
твердого
тела.
Поэтому
при
рассеянии
электронов,
в
результате
которого
формируется
изображение,
существенную
роль
начинают
играть
неупругие
процессы.
Неупру
гие
соударения
квантовых
частиц
всегда
нелокальны,
причем
сте
пень
делокализации
определяется
соотношениями
неопределенно
стеЙ.
Это
обстоятельство
является
одной
И3
основных
причин
потери
интересующей
нас
информации
о
характерных
расстояниях
в
образце,
что
в
конечном
счете
выражается
в
ослаблении
контра
ста
на
изображении.
Важному
вопросу
о
роли
неупругого
рассеяния
электронов
при
формировании
изображения
посвящена
гл.
6.
В
ней
подробно
анализируются
основные
механизмы
неупругого
рассеяния:
рас
сеяние
на
плазме,
рассеяние,
сопровождающееся
возбуждением
внутренних
электронов,
и
рассеяние
с
обраЗ0ванием
радиацион
ных
дефектов.
Автору
удалось
избежать
опасности
перегрузить
главу
боль
шим
количеством
формул
и
вычислений.
Основной
упор
здесь,
как
и
во всей
книге,
делается
не
на
математическое
описание
довольно
сложных
процессов,
а
на
объяснение
физической
сути
явлений.
В
ходе
изложения
используются
новейшие
результаты
теоретических
и
экспериментальных
исследований.
Гл.
7
представляет
собой
введение
в
теорию
дифракции
элек
тронов,
которая
более
подробно
обсуждается
в
следующих
гла~
1)
См.,
например,
Л.
Д.
л
а
н
Д
а
у,
Е.
М.
Л
и
Ф
ш
и
Ц,
Квантовая
меха
ника,
М.,
1963,
стр.
543
и
625.
\.
ПРЕДИСЛОВИЕ
ПЕРЕВОДЧИКОВ
9
.ах.
В
ней
устанавливается
связь
между
самосогласованным
Inентрическим
потенциалом
кристалла
И
его
рассеивающей
спо
собностью,
введено
представление
о
структурном
факторе,
подроб
НО
излагаются
геометрические
свойства
обратной
решетки
и
ее
связь
с
дифракцией
электронов.
.
Более
детально
вопросы
упругого
рассеяния
электронов
разби
раются
в
гл.
8.
В
§ 1
рассматривается
кинематическая
теория
рас
сеяния,
что
в
обычной
терминологии
соответствует
борновскому
приближению.
Анализируются
весьма
важные
для
приложений
вопросы
о
зависимостях
распределений
интенсивности
вблизи
узлов
обратной
решетки
от
формы
и
размера
рассеивающих
кри
сталлов.
Если
при
описании
процессов
рассеяния
рентгеновских
лучей
кинема
тическая
теория
является
обычно
вполне
удовлетворитель
ным
приближением,
то
в
случае
электронов
в
СВЯ3И
с
большими
значениями
упругих
сечений
рассеяния
ее
применение
не
дает
достаточно
хороших
результатов.
Здесь
необходимо
ИСПОЛЬЗ0вать
более
точную
динамическую
теорию,
в
которой
можно
учесть про
цессы
многократного
рассеяния.
Динамическая
теория
в
рамках
двухволнового
приближения
довольно
подробно
излагается
в
§ 2.
При
этом
в
отличие
от
имеющихся
на
русском
языке
изложе
ний,
например
в
книге
Р.
Джеймса
1),
вопросы
динамической
тео
рии
рассматриваются
не
в
отрыве
от
общих
свойств
волн,
распро
страняющихся
в
периодических
структурах,
а в
тесной
связи
с
ними.
Подчеркивается
принципиальная
зависимость
между
раз
рывами
в
законе
дисперсии
электрона
в
периодическом
внешнем
поле
и
дифракционными
максимумами,
а
также
полная
идентич
ность
приближения
слабой
связи
вблизи
точек
вырождения
на
границах
З0НЫ
Бриллюэна,
хорошо
известного
в
З0ННОЙ
теории
твердого
тела,
и
двухволнового
приближения
в
динамической
теории
рассеяния.
В
§ 2
изложено
большинство
результатов
дина
мической
теории
с
указанием
их
приложений
в
электронной
микро
скопии.
При
этом
автор
не
ограничивается
констатацией
резуль
татов
теории.
Большинство
этих
результатов
приведено
вместе
С
их
выводом.
Поэтому
при
внимательном
чтении
можно
получить
вполне
удовлетворительное
представление
о
динамической
теории
рассеяния.
Нак
известно,
кроме
неупругого
рассеяния,
ослабление
кон
траста
на
электронно-микроскопическом
изображении
может
быть
вызвано
упругим
некогерентным
рассеянием.
В
§ 3
обсуждаются
аффекты
упругого
некогерентного
рассеяния
электронов,
обу
словленного
тепловыми
и
статическими
искажениями
решетки.
1)
Р.
д
ж
е
й
м
С,
Оптичес:кие
принципы
дифрющии
рентгеновс:ких
лучей,
ИЛ,
1950.
ПРЕДИСЛОВИЕ
АВТОРА
состоянии
выявить
всю
возможную
информацию
об
объекте,
часто
в
этом
может
помочь
дифракционная
I-шртина.
Тем,
кто
занимает
ся
микроскопией,
может
показаться,
что
название
книги
ввело
их
в
заблуждение,
когда
они
увидят, что
обсуждение
быстро
ухо
дит
от
классического
рассмотрения
рассеяния
твердых
частиц
к
теории
дифракции.
Но
читатели,
знакомые
с
физической
опти
кой,
сразу
же
догадаются,
что
подход
здесь
такой
же,
как
и
в
теории
формирования
изображения
Аббе
(1887
г.),
и
они
будут
правы.
Моим
намерением
было
бесповоротно
увести
читателя
от
клас
сического
представления
об
эффективной
толщине
1)
как
о
причи
не
появления
контраста
на
изображении.
Констатировав
то
обсто
ятельство,
что
интерференцию
электронных
волн
нельзя
игнори
ровать
даже
в
случае
аморфных
материалов,
я
в
гл.
4-8
ввел
и
развил
представления
о
дифракции
и
интерференции
и
применил
эти
понятия
в
остальных
частях
книги.
При
этом
не
делалось
попыток
избежать
математических
описаний,
но
наибольшее
вни
мание
уделялось
физичеСI{ИМ
идеям.
Идеи
более
важны,
чем
стро
гая
математическая
обработка.
В
некотором
смысле
первые
девять
глав
книги
являются
подготовительными
для
обсуждения
каче
ства
изображения
и
разрешения
в
гл.
10.
Конечная
цель
электрон
ной
микроскопии
-
выяснение
а
томной
и
молекулярной
струк
туры,
что
я
все
время
и
имел
в
виду.
По
этой
причине
в
книге
уде,
ляется
мало
внимания
методике
и
приборам.
Читатель,
ждущии
указаний
по
технике
приготовления
реплик,
электрополировки,
сушения,
отслаивания,
оттенения,
окрашивания
и
т.
д.,
будет
разочарован.
Разочарование
ждет
и
тех,
кому
нужно
оп~сание
«металлоизделий»-
электронных
микроскопов,
напылителеи,
уст
ройств
для
наклона,
нагрева
и
т.
д.
О
наладке и
работе
электрон
ного
микроскопа
здесь
даже
не
упоминается,
хотя я
и
занимался
этим
много
лет.
При
написании
книги
необходимо
тща
тельно
отбирать
ма
териал,
И,
естественно,
автор
всегда
невольно
старается
избегать
того,
что
кажется
ему
странным
или
непонятным.
Поэтому
в
книге,
вероятно,
будут
оплошности
и
ошибки
в
толковании
,:чужих
работ,
не
намеренные,
но
тем
не
менее
досадные.
Приложении
элек
тронной
микроскопии
так много,
что
я
даже
и
не
пытался
полно
стью
охватить
их.
Некоторым
из
них,
например
исследованию
структур
тонких
пленок,
посвящены
целые
тома
симпозиумов,
и их
невозможно
серьезно
рассмотреть
в
нескольких
параграфах.
Но
физические
основы
для
интерпретации
изображений
таких
пленок
имеют
важное
значение.
1)
См.
примечание
к
стр.
19.-
Прuм.
перев.
ПРЕДИСЛОВИЕ
АВТОРА
13
Книга
посвящена
д-ру
Дэвиссону
в
память
его
выдающихся
уг
в
деле
открытия
явления
дифракции
электронов,
на
кото
основана
электронная
микроскопия.
Есть
и
другие
причины
ДJlЯ
этого,
хорошо
понятные
тем,
кто
лично
знал
д-ра
Дэвиссона.
Я
очень
благодарен
всем,
кто
щедро
снабдил
меня
данными,
сведениями
и
многочисленными
превосходными
микроснимками.:
помещенными
в
книге.
Особенно
обязан
я
Де
Бала,
которыи
с
большим
мастерством
выполнил
чертежи
и
эскизы.
Мне
очень
пове
зло,
и
я
мог
совершенно
свободно
пользоваться
чертежным
обору
дованием
лабораторий
Белл
телефон.
Приятно
было
бы
по
благо
да
рить
Дженкинс
и
ее
славный
персонал
машинисток
за
перевод
моих
рукописей
ваккура
тно
напечатанные
страницы.
Отношение
ко
мне
со
стороны
руководства
лабораторий
и
его
поддержка
в
ходе
подготовки
книги
были
поистине
замечательными.
С
удовольстви
ем
вспоминаю
я
и
о
совместной
работе
с
сотрудниками
изда
тель
ства
«Джон
Уайли
и
сыновью>
по
преобразованию
рукописи
в
законченную
книгу.
Большую
помощь
оказали
мне
мои
коллеги,
которые
читали,
критиковали
рукопись
и
вносили
в
нее
поправки.
Из
них
нельзя
не
упомянуть
Кунс,
Хант,
Кейта,
Бассета,
Калбика
и
Доува.
Я
благодарен
также
Хаммингу
за
его
советы,
подталкивание
и
живой
интерес,
проявленный
при
моих
первых
попытках
напи
сать
книгу.
И
последнее.
Книга
писалась
не
в
обычные
часы
рабочего
дня,
и
поэтому
приходилось
уделять
слишком
мало
внимания
жене
и
семье.
Я
сердечно
благодарен
им
за
терпение
и
понимание,
с
ко
торым
они
перенесли
многие
и
нередко
трудные
часы,
отданные
мной
работе
над
книгой.
Мюррей-Хилл,
ШТ.
Ныо-Джерси
Апрель
1964
г.
Р.
Хеuдеnраuх
ИсторичеСItое
введение
Прежде
чем
приступать
к
изложению
основного
материала,
в
книгах
и
монографиях
принято
излагать
историю
предмета.
Это
особенно
легко
и
приятно
делать
в
случае
электронной
микро
скопии,
так
как
история
ее
возникновения
хорошо
известна,
а
в
числе
основоположников
необычайно
много
ученых
с
мировой
изве
стностью.
Автор
воспользовался
введением
также
для
предвари
тельного
рассмотрения
неноторых
вопросов,
относящихся
к
после
дующему
изложению,
и
поэтому
введение
является
существенной
частью монографии.
Так
как
физические
свойства
электрона
имеют
важнейшее
значение
для
электронной
микроскопии,
они
рассматриваются
в
историческом
обзоре.
Создание
современного
электронного
микроскопа
с
магнитны
ми
линзами
явилось
замечательным
завершением
ряда
самых
разнообразных
ЭI\спериментальных
и
теоретических
исследова
ний.
Их
начало
было
положено
опытами
Дж.
Томсона
с
катодными
лучами,
возникающими
при
газовых
разрядах.
Он
показал,
что
ка
тодные
лучи
отклоняются
элеI\тричеСRИМ
полем
и
что
они
пред
ставляют
собой
поток
отрицательно
заряженных
частиц
с
массой,
равной
примерно
одной
тысячной
массы
а
тома
водорода.
С
помо
щью
магнитных
и
электрических
полей
Дж.
Томсону
[1]
удалось
определить
величину
отношения
заряда
электрона
к
его
массе
е/т
= 2,3·107
абс.
э.
м.
е./г
(в
настоящее
время
принято
значе
ние
(1,75764 + 0,00003)·107
абс.
э.
м.
е./г
[4]).
Это
отношение
имеет
весьма
важное
значение,
поскольку
им
определяется
импульс
электрона:
т
Hr=-v,
е
(1)
где
r -
радиус
кривизны
траеI\ТОРИИ
элеI\трона,
движущегося
СО
скоростью
V,B
плоскости,
перпендикулярной
внешнему
магнит
ному
полю
напряженности
Н.
Так
было
открыто
явление
прело
МJlения
электронного
пучка
в
магнитном
поле;
отношение
е
/т
имеет
решающее
зна
чение
при
расчете
линз.
Тем
не
менее
прошли
rоды,
прежде
чем
Буш
[2]
в
1926
г.
сообщил
о
первой
магнитной
Jlинае.
Ранее,
в
другом
важном
эксперименте,
был
определен
16
ИСТОРИЧЕСRОЕ
ВВЕДЕНИЕ
заря~
электрона,
что
сразу
же
позволило
определить
его
массу.
Речь
идет
о
знаменитом
опыте
Милликена
[3],
в
котором
было
получено
значение
е
= (4,807 ± 0,006) ·10-10
абс.
э.
с. е.
Принятое
сейчас
значение
заряда
электрона
[41
е
= (4,80286 ± 0,00009) ·10-10
абс.
э.
с.
е.
Отсюда
масса
электрона
т
= (9,1083 ± 0,0003) ·10-28
г.
3наче~ия
е
и
т
и
величина
силы,
действующей
на
электрон,
дви
жущиися
в
магнитном
поле,
в
сочетании
с
величиной
электро
ста
тического
ускорения
и
преломления
представляют
собой
все
данные,
которые
необходимы
для
конструирования
электронных
пушек
и
магнитных
или
электростатических
линз.
После
первых
экспериментов
Дж.
Томсона
активное
участие
В
исследовании
проблемы
электрона
приняли
физики-теоретики
особенно
Лоренц
и
Эйнштейн.
Лоренц
занимался
развитием
Teo~
рии
электрона
[5],
представляя
его
в
виде
частички
с
распределен
ным
зарядом
и
полем,
соответствующим
электромагнитной
теории
Максвелла.
Исходя
из
своей
теории
преобразования
движущихся
систем
координат,
Лоренц
предсказал
зависимость
массы
от
ско
рости
вида
(2)
где
у
=
и/с
-
отношение
скорости
частицы
к
скорости
света,
а
то
-
масса
частицы
в
системе
координат,
относительно
которой
она
неподвижна,
или
«масса
покою).
Эйнштейн
[6]
получил
то
же
самое
соотношение
В
развитой
им
теории
относительности.
Экспе
риментальная
проверка
зависимости
массы
электрона
от
его
скоро
сти
была
произведена
Кауфманом
[7]
и
другими
и
показала
пре
красное
совпадение
с
теорией.
График
зависимости
т/т
от
у
~
о
,
соответствующеи
выражению
(2),
приведен
на
фиг.
1.
Современ-
ные
электронные
микроскопы
работают
при
ускоряющем
напря
жении
от
100
до
1000
71,в,
поэтому
для
них
существенна
релятивист
ская
поправка
к
величине
массы.
В
табл.
20
(приложение
VIII)
приведены
релятивистские
поправки
для
широкого
диапазона
скоростей.
При
ускоряющем
напряжении
100
71,в
поправка
к
массе
составляет
20
%,
а
R
длине
волны
-
около
5%.
Из
теории
относительности
следует,
что
собственная
энергия
электрона
равна
тос
2
.
Полная
энергия
электрона,
движущегося
4
"-
3
-
-
"-
О
О
ИСТОРИЧЕСRОЕ
ВВЕДЕНИЕ
I I
I
1
I
J
/
~
~
----
104
105 106
'1
I
I
l'
I 1
I "
0,2
0,4 0,6 0,8
1'=f~
17
I
-
-
-
-
I
Ф
и
г.
1.
Зависимость
релятивистской
поправки
к
массе
m/mо=(1
- ,\,2)-1/2
от
отношения
скорости
электрона
v
к
скорости
света
с.
Точки
-
экспериментальные
значения,
полученные
в
работе
[7],-
подтвержда~'1'
соотношение
Лоренца
-
Эйнштейна.
СО
скоростью
и,
определяется
выражением
2 ' r
m
oc
2
те
=~'----
V1-v
2
'
(3)
а
его
кинетическая
энергия
равна
(4)
,тс2_тос2=тос2
[(1_
y
2)_1/2_1].
"
Было
известно:
что
излучение
~бнаруживаеТRорпу,скулярные
свойст:tЗа,
до~азательствоМ.
чему
СЛ,ужили
фотоэффект'
и
эфф{щт
Комптона.
С
другой
стороны,
в
явл~»ии
интерференции
обнару~:и;:-:
ваЮJFCЯ
волн<?вые
свойства
излучения.
Планк,
установил
соотно
шение,
согласно
которому
энергии
Е
соответствует
чаСТО',Г,а
'У,:
Е
=
hv,
(5)
где
h = (6,6252 +
0~00023).10-27
эРг.Се71,
-
постоянная
Планка.
Выход
из
этого
сложного
положения
был
наконец
найден
в
1924
г.
де
Бройлем,
который
предложил
в
своей
докторской
диссертации
волновую
теорцю
.~~.Т~РИ~
[8].
Цосле
He~OTOpыx
обсуждений
дис
серТ§l:ЦIlН
была
ПРИI!ята
'и
опубликована'
[9],
включая
известное
соотношение
h
Л=~,
р,
(6)
где
л
-
дебройлевская
длина
:&O~HЫ,
р
=
т
и
-
импульс
и
h -
постоянная
Планка.
Это
представление,
введенное
в
волновое
:!
Р,
Хейденрайх
18
ИСТОРИЧЕСНОЕ
ВВЕДЕНИЕ
уравнение
физической
оптики,
привело
к
известному
уравнению
Шредингера
и
волновой
механике.
Но
оставалось
неясным,
закон
но
ли
было
приравнивать
нулю
входящую
в
выражение
(6)
адди
тивную
константу
интегрирования.
Соотношение
(6)
было
под
тверждено
экспериментально
в
1927
г.,
когда
Дэвиссон
и
Джер
мер
[10]
открыли
явление
дифракции
электронов
и
подтвердили
полученное
де
Бройлем
значение
длины
волны
электрона.
В
этом
эксперименте
электроны
с
энергией
порядка
100
эв
отражались
от
поверхности
кристалла
никеля
(так
называемый
брэгговский
случай
дифракции).
Интересно
отметить,
что
сейчас
снова
при
меняется
дифракция
электронов
низкой
энергии
в
связи
с
разра
боткой
метода
дополнительного
ускорения
электронов
специаль
ным
электродом.
ПО
интересному
совпадению
в
том
же
выпуске
журнала
Nature,
где
была
опубликована
работа
Дэвиссона
и
Джермера,
была
поме
щена
ста
тья
Г.
Томсона
и
Рейда
[11],
в
которой
излагались
резуль
та
ты
исследования
дифракции
на
тонкой
пластмассовой
пленке
в
проходящем
пучке
электронов.
В
опыте
Томсона
-
Рейда
ис
пользовался
электронный
пучок
с
энергией
16 800
эв,
и
их
ус
тановка
явил
ась
прототипом
современной
аппаратуры
для
элек
тронной
дифракции.
За
открытие
явления
дифракции
электронов
Дэвиссон
и
Г.
Томсон
получили
Нобелевскую
премию.
Таким
образом,
отец
и
сын,
Дж.
Томсон
и
Г.
Томсон,
сыграли
основополагающую_
роль
в
истории электронной
микроскопии.
Вскоре
после
экспериментального
подтверждения
представле
ний
де
Бройля
о
волновой
природе
материи
Бете
[12]
опубликовал
динамическую
теорию
дифракции
электронов
-
волновую
меха
нику
движения
электрона
в
кристалле.
Эта
теория
очень
похожа
на
разработанную
Эвальдом
десятью
годами
ранее
динамическую
теорию
дифракции
рентгеновских
лучей.
Бете
подробно
проанали
зировал
лауэвский
случай
дифракции,
а
Морз
[13],
чтобы
объя
снить
детали
эксперимента
Дэвиссона
-
Джермера,
в;последствии
развил
теорию дЛЯ
БРЭГГОВСRОГО
случая.
Хотя
электронная
диф
ракция
начала
интенсивно
использоваться,
динамическая
теория
некоторое
время
игнорировалась,
а
применялась
более
проста~
кинематическая
теория,
развитая
для
случая
рентгеновскои
дифракции.
u
Воспользовавшись
тем,
что
электрон является
заряженнои
частицей,
Иноль
и Руска
[14]
построили
первый
электронный
микроскоп
с
магнитными
линзами.
Оказалось,
что
к
описанию
траекторий
электронов
применима
геометрическая
оптика,
и
с
этого
времени
начала
быстро
развиваться
электронная
оптика.
Брюхе
и
Иогансон
[15]
исследовали
возможность
создания
элек
тростатических
линз,
и
в
дальнейшем
параллельно
развиваЛИСh
ИСТОРИЧЕСКОЕ
ВВЕДЕНИЕ
19
.а.
типа
линз
(электростатические
и
магнитные).
Однако
по
ряду
технических
причин
электростатические
линзы
не
получили
рас
пространения.
В
1934
г.
Мартон
сообщил
об
электронном
микроскопе
с
магнит
ными
линзами
и
получил
первые
электронные
микрофотографии
биологических
объектов
[16].
Первый
микроскоп
в
Северной
Аме
РИl(е
(1939
г.)
был
разработан
Пребасом
и
Хилье
под
руковод
('/l'IЮМ
Бартона
и
изготовлен
в
Торонтском
университете.
Первый
промышленный
микроскоп,
изготовленный
в
США
(ЭМБ),
был
создан
Хилье
совместно
с
Мартоном.
Он
выпускался
фирмой
«Рэйдио
корп~рейшн
оф
Америкю)
и
был
очень
похож
на
прибор,
разработанныи
Боррисом
и
Руска
[17],
который
выпус.кала
фир
ма
Сименс
-
Хальске
в
Германии.
Современный
Эльмископ-
1
фирмы
Сименс
представляет
собой
модернизированный
вариант
атого
прибора,
который
ещ~
до
второй
мировой
войны
давал
разре
шение,
превышающее
20
А.
В
настоящее
время
подобные
элект
ронные
микроскопы
с
магнитными
линзами
выпускаются
многими
фирмами:
Хитачи,
«Джапан
электрон
оптикс»,
Филипс,
НСА,
Бендикс и
АЕ
11).
.
Вплоть
до
1940
г.
теория
электронной
дифракции
развивалась
на
основе
представления
о
волновых
свойствах
электронов,
не
находя
себе
применения
в
электронной
микроскопии,
тогда
как
теория
электронно-микроскопического
изображения
базирова
лась
на
представлении
об
эффе.ктивноЙ
толщине
объекта
[18]
2)
В
1940
г.
Боррис
и
Руска
[19]
сообщили
об
изменениях
интенсиn~
ности
на
изображениях
окиси
хрома,
которые
не
согласовывались
с
такой
интерпретацией.
В
работе
Хилье
и
Бекера
[20]
были
опуб
ликованы
микрофотографии
АI
2
О
з
·
3Н
2
О,
В
которых
обна
ружива
лось
наличие
брэгговских
отражений.
Исследуя
кристаллы
MgO
автор
настоящей
работы
обнаружил
наличие
равномерно
распо~
ложенных
полос
интенсивности
на
изображении
и
объяснил
их
происхождение,
используя
представление
о
многократном
брэг
ГОБСКОМ
отражении
[21
Э.
Бёрш
[z2]
привел
примеры
интерферен
ционных
эффектов
на
изображениях
кристаллов.
Иоссель
(23)
предложил
объяснение
полос,
наблюдавшихся
на
изображениях
кристаллов
MgO
Ииндером
[24].
Хейденрайх
и
Стэрки
(25]
изме
рили
полосы
интенсивности
на
изображениях
.кубических
кри
сталлов
MgO
и
CdO
и
на
основе
теории
Бете
подсчитали
коэф
фициенты
Фурье
потенциала.
Ранее
Блэкманом
[26]
уже
рас
сматривались
недостатки
кинематической
теории
дифракции;
изло-
1)
В
СССР
выпускается
микроскоп
высокого
разрешения
типа
УЭМВ-100.
-
Ори.м.
перев.
2)
Термин
«эффективная
толщиню>
{ffi.a8s~thkkness),
определяющий
ПР9-
нвведение
плотности
объекта
на
его
толщину,
введен
в
соответствии
с
ра50-
Т{)Й
(41
*
1.-
Прuм.
перев.
2*
20
ИСТОРИЧЕСКОЕ
ВВЕдЕНИЕ
щенные
выше
электронно-микроскопические
наблюдения
вдовь
подняли
этот
вопрос,
не
решенный
еще
и
до
сих
пор.
Тем
не
менее
важная
роль
интерференционных
эффектов
в
электронных
изо-
бражениях
была
хорошо
установлена.
' , ,
Между
тем
в
бактериологии
и
при
изучении
коллоидов
начали
широко
применять
электронную
микроскопию,
трактуя
получае
мые
изображения
на,
основе
представления
об
эффективной
толщи
не.
Был
усовершенствован
микротом
для
секционирования
биоло
гических
объектов,
что
сделало
этот
инструмент
неоценимым
при
электронно-микроскопичес,Ких
иссд.едованиях
таких
структур.
Трудности
возникали
при
закреплении
образцов
и
в
связи
с
разру
шением
структур
при
удалении
из
них
воды,
так
как
для
исследо
вания
необходимо
было
сушить
все
образцы.
Чтобы
уменьшить
повреждения
объекта,
использовались
методы
изменения
крити-
ческой
точки
воды
и
,сушки
в
замороженном
состоянии.
,
Два
метода
чрезвычайно
расширилц
область
применения
элект-:
ронной
микроскопии
при
исследовании
неорганических
объектов.
Это,
во-первых,
метод
поверхностных
отпечатков,
предложенный
Малем
[27],
и,
во-вторых,
метод
оттенения
метадлами,
введенный
.мюллером
[28]
и
независимо
от
него
Вильям,СОМ
и
Виковым,
[29].
До
,1954
г.,
KOI:Aa
Брэдли
[30]
ввел
угольные
отпечатки,
применя
лись
раЗЛИЧНЫ,е
методы
приготовления
реплик.
Метод
угольных
реплик
в
сочетании
с
поверхнос'rНЫМ
оттенеI.!ием
позволил
сущест
вен,НО
повысить
контраст
и
разр~шение
(50
А).
Реплики,
получен
ные
напылением
SiO,
в
некоторых
случаях
используются
и
.до
сих
пор.,
Холл
[31]
предложил,
использовать
в
качестве
подложки
-скол·
сл!Оды,
оттенение
тящеJiыми
металлами
и'
SiO.
в
качестве
носителя
пленки.
Этим
методом
было
получено
изображение
отдельны~
молеКУiI.
На
фиг,.'
2
'приведена
микрофотография
ните
ВJ.!Iд'f!оЙ
молекулы
ДНК
с
двойной
спиралью
диаметром
около
20
А.
Поскольку
метод
реплик
оказался
неудовлетворительным
при
изучении
скольжения
в
мет~лличеСhИХ
,кристаллах,
[32
J,
БЫЛIJ
предприняты
попытки
яаблюдения
полос
скольжения
и
дислока+
ций'
в
проходящем
пучке
электроно,в
[33].
Оказалось,
что
в
этом
случае
'д~я
интерпретации'
результатов
',нео'бходимо
привлечь
динамическую
теорию,
и
БЫЛI:I
получецы
данные,
указываЮЩl;Iе
на
перспективность
ЭТQГО
метода.
Но
низкое
ускоряющее
напряже
ние·
и
трудности
получения
дифракции
от
выбранного
участка
образца
не
позволяли
реализовать
возможности
метода
исследо
ванцд
на
просвет.
Это
положение
коренным
образом
изменил.ось
с
П'оявлением
Эльмископа-
1
фирмы
Сименс
с
двойным
конденсором
и
усноряющим
напряжени~м
до
1 00
~в.
В
19,56
г.
,Болманом'
и
Хир
шеМ:
'с
сотрудниками
[34-35]
были
впервые
по'лучены
изобр
а
же,7
ния
отдельных
дислокаций
в
металлах.
На
фиг.
3
показан
типич~
,
~:
:.
~
~~
'+
{,>
21
i
Ф
И
г.
2.
Электронная
микрофотография
молекул
ДИК
на плоскости
скола
слюды,
полученная
методом
Холла
[31].
Диаметр
молекул
равен
примерно
20
А.
,вый
~ид
дислокаций
в
просвечивающем
микроскопе.
Кроме
дисло
.
кации,
были
обнаружены
и
детально
объяснены
дефекты
упаковки
'8
кристаллах
[36],
предсказанные
ранее
в
работе
[32].
На
фиг.
4
представлен
характерный
вид
дефектов
упаковки
в
кобальте.
,
Контраст
на
фиг.
3
и
4
«(дифракционный
контрасТ»)
обусловлен
отсечением
дифрагированных
пучков
апертурой
объективной
лин
~
8Ы.
При
интерпретации
таких
изображений
необходимо
исполь
,
'80вать
все
результаты
имеющейся
теории
дифракции
электронов.
~
Это
связано
с
тем,
что
в
действительности
детали
изображения
I.искажены,
так
как
расстояния
на
изображении
не
соответствуют
~.
епосредственно
расстояниям
в
объекте,
а
определяются
дифракци
••
оввыми
условиями.
Но
если
дифрагированный
пучок
проходит
'"н,
сквозь
объективную
линзу
и соединяется
с
проходящим
ПУЧRОМ
..
ПЛОСкости
изображения,
то
расстояния
на
изображении
СОот
нтствуют
рР.альным
расстояниям
в
объекте.
В
1956
г.
Ментер