Разработка теории и практическое осуществление различных систем электронной оптики заняли немало времени, и только к началу второй мировой войны были созданы первые более или менее удовлетворительные образцы электронных микроскопов. В них лучи света были заменены пучками электронов, а стеклянные линзы — системами электромагнитных катушек и электродов, подключенных к источникам электрического напряжения. Но ход лучей-электронов и электронно-оптическая схема в этом микроскопе оставались такими же, как и в оптическом.

Электронный микроскоп.

Конечно, конструкция нового типа микроскопа совершенно иная. Электронный микроскоп значительно сложнее и по своим размерам гораздо больше оптического. Это прежде всего объясняется тем, что пучок электронов может беспрепятственно перемещаться только в пустоте. Поэтому в трубе электронного микроскопа поддерживается очень высокий вакуум. Свет не может не двигаться, а электроны обязательно нужно ускорять. Для этого в электронном микроскопе имеется специальная ускоряющая система, на которую от высоковольтного источника подается электрическое напряжение. Так, в электронном микроскопе типа «УЭМ-100» это напряжение достигает 100 тысяч вольт. Длина волны, связанной с электроном, при таком ускоряющем напряжении равна всего лишь 0,039 ангстрема, или 3,9∙10^-10 сантиметра.

Если бы разрешающая способность в электронном микроскопе ограничивалась только явлением дифракции, то можно было бы рассматривать даже молекулы. К сожалению, разрешающую способность значительно снижают сами линзы микроскопа. По своим качествам они несравненно хуже оптических, и в настоящее время еще не найдены пути устранения их недостатков. Поэтому разрешающая способность современных электронных микроскопов далека еще от теоретически возможного предела и пока достигает только единиц ангстремов. Но и эта величина в несколько сот раз превышает разрешающую способность оптических микроскопов. Кроме того, в некоторых типах электронных микроскопов, помимо обычных наблюдений, можно также проводить и дифракционные исследования. Получающиеся при этом изображения дифракционных картин — электронограммы — дают ученым возможность изучать строение кристаллов и молекул, недоступное иным способам наблюдения.

Увеличение современных электронных микроскопов достигает многих десятков тысяч. Оно является произведением двух увеличений — электронно-оптического и фотографического. В электронном микроскопе типа «УЭМ-100» изображение фотографируется на пластинку размером 6х9 сантиметров. При печати это изображение может быть дополнительно увеличено. Общее увеличение в 50–75 тысяч раз еще не является пределом.

Такое увеличение необычайно велико. Для того чтобы вы лучше представили себе это, стоит сказать несколько слов о подготовке срезов, которые изучаются с помощью электронного микроскопа. Операция эта очень тонкая, и ее невозможно контролировать даже с помощью сильного оптического микроскопа. Рассматриваемый на просвет срез должен иметь очень малую толщину. Толщина, если в данном случае можно воспользоваться этим словом, среза может достигать всего лишь 10 миллимикронов, то есть она в 38 раз меньше самой короткой длины волны видимого света. Такая величина находится на пределе разрешающей способности электронного микроскопа.

Такие сверхтонкие срезы делаются с помощью специального устройства, так называемого ультрамикротома. Ультрамикротом позволяет делать срезы толщиной от 10 до 150 миллимикронов, причем она может устанавливаться в указанных пределах с точностью до 5 миллимикронов. Это точность, которой пока не требуется даже в самых новейших металлообрабатывающих станках. Ножи ультрамикротома, сделанные из специального стекла или алмаза, позволяют делать срезы не только мягких тканей, но даже и металлов. Максимальная площадь поверхности среза достигает размеров 3х4 миллиметра.

Здесь помещены изображения различных объектов электронной микроскопии и одна электронограмма.

Негативное изображение клетки листа томата, пораженного вирусом табачной мозаики. Фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР.

Бактерии и фаговые частицы. Фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР.

Кристаллы бета-каротина. Эта фотография сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР.

На первой фотографии дается негативное изображение клетки (одной клетки!) листа томата, пораженного вирусом табачной мозаики. Червеобразные линии, видимые в полости клетки, и есть вирусные частицы. На второй фотографии видны изображения бактерий со жгутиками и несколько фаговых частиц. Сами бактерии можно было бы увидеть и в обычном микроскопе, но ни их жгутики, ни фаговые частицы в этом случае не могли бы быть обнаружены. На третьей фотографии дано изображение кристаллов органического вещества — бета-каротина. Как видите, эти кристаллики очень малы сами по себе. Каким же путем можно исследовать их строение? Помощь может оказать изучение электронограмм, или дифракционных картин, полученных от этих кристаллов. Однако это оказывается не простым делом, так как пучок электронов, разогнанных в ускоряющем электростатическом поле микроскопа, легко разрушает строение кристаллов органических соединений биологического происхождения. Лишь совсем недавно ученым удалось получить электронограммы подобных объектов.

Для нас с вами электронограмма особенно интересна тем, что картина дифракции электронов, очень хорошо видимая на ней, совершенно аналогична картине дифракции света, которую мы наблюдали раньше.

Здесь были приведены изображения объектов, исследуемых в биологии. Но электронный микроскоп используется так же широко и в других областях науки и техники; его с успехом применяют и физики, и химики, и металлурги, и другие.

Электронограмма — картина дифракции электронов на кристалле. Сравните этот снимок со снимком дифракции света, помещенным в первой главе. Электронограмма была сделана в лаборатории электронной микроскопии Академии наук СССР.

Уже более века фотография верно служит людям. Сейчас количество фотолюбителей во всем мире огромно. Их потребности в аппаратуре, пленке, фотобумаге, химикалиях и многих других необходимых вещах удовлетворяет развившаяся в мощную отрасль современной индустрии фотографическая промышленность.

Но она, пожалуй, не занимала бы столь важного места в экономике высокоразвитых стран, если бы ее потребителями были только поклонники любительской фотографии. Несмотря на огромное количество снимков наших любимых, родных и друзей, прекраснейших пейзажей, спортивных событий, пикников и путешествий, которые ежедневно делаются на всех параллелях и меридианах, несмотря на широкое развитие любительской кинематографии, это все же не главная доля всех фото- и киноработ, ведущихся теперь в мире.

Узнать точные цифры хотя бы о количестве используемых ежегодно фотоматериалов крайне трудно. Но для того чтобы иметь хотя бы отдаленное представление об их потреблении, можно провести простейший расчет. 10 миллионов счастливых обладателей «Зорких», «Фэдов», «Леек», «Смен» и других малоформатных камер, фотографируя ежегодно по пять кассет, израсходуют более 80 тысяч километров кинопленки. Лентой такой длины можно дважды обернуть земной шар по экватору. Делая в год в среднем по 500 отпечатков (в том числе и бракованных) размером 13x18 сантиметров, эти 10 миллионов любителей потратят 120 квадратных километров фотобумаги и множество химикалиев.