Электроны, разгоняясь в электрическом поле до очень больших скоростей, обладают малой длиной волны, что определяет большую разрешающую способность электронных микроскопов. Под действием электрического поля, электроны получают достаточно большую кинетическую энергию, функцией которой является скорость:
eU = (mυ2)/2, откуда υ =((2eU)/m)1/2
По формуле Луи де Бройля λ = y/(mυ)
λ = h/(m(2eU)/m)1/2, λ = h/ (2emU)1/2
где h - постоянная Планка , U - ускоряющее напряжение, е и m - заряд и масса электрона.
Современные электронные микроскопы позволяют рассматривать предметы, размером, примерно, около 10 нм. Электроны могут увеличивать свою кинетическую энергию, т.е. скорость под действием магнитного поля. Если вектор его скорости совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля, то он движется параллельно силовым линиям. Когда же вектор скорости электрона перпендикулярен направлению вектора индукции магнитного поля, то он начинает двигаться по круговой орбите.
Фокусировка электрона осуществляется с помощью магнитного поля (длинные и короткие магнитные линзы). Длинная магнитная линза представляет собой соленоид, поле внутри которого однородно.
Пусть в этом поле имеется точка А, в которой находится источник электронов, испускающихся по всем направлениям с одинаковой скоростью. Рассмотрим движение электрона, который излучается под небольшим углом к силовым линиям магнитного поля.
Разложим скорость на две составляющие: вдоль силовых линий (движение равномерное) и перпендикулярно к ним. На электрон, двигающийся перпендикулярно силовым линиям, действует сила Лоренца:
Fл = keBυsinα
Здесь В - магнитная индукция поля. Под действием этой силы электрон будет двигаться по окружности. Тогда, результирующее движение в магнитном поле будет представлять собой движение по винтовой линии, а этот электрон и все остальные, вылетающие под небольшим углом к направлению силовых линий, соберутся в некоторой точке В, которая будет являться изображением точки А, равное ей по величине, причем точка В будет располагаться на той же линии, что и точка А. Таким образом, соленоид не дает увеличения или уменьшения предмета, т.е. Г=1, он играет роль конденсора. Для получения увеличенного изображения используют короткие магнитные линзы, поле которых неоднородно и протяженность очень мала. Чтобы добиться этого, катушку окружают металлическим кожухом, оставляя узкую кольцевую щель и ставят конусные полюсные наконечники. Электроны, идущие из точек А и В предмета, соберутся в точках А1 и В1. Расстояние между этими точками много больше расстояния между точками А и В, т.е. мы получим увеличенное прямое изображение. В этом и состоит принцип работы короткой магнитной линзы. Ее фокусное расстояние до 1 мм, а увеличение порядка 300.
Электронный микроскоп состоит:
1. Источник электронов - электронная пушка.
2. Диафрагма.
3. Конденсорная линза - длинная магнитная линза, заставляющая двигаться электроны параллельным пучком.
4. Объективная линза - короткофокусная магнитная линза, дающая промежуточное изображение.
5. Проекционная линза - короткофокусная магнитная линза, дающая окончательное изображение предмета.
6. Фотокамера.
7. Вакуумная система.
8. Блоки питания и все детали микроскопа заключены в трубку с низким давлением, порядка 10-4 мм.рт.ст.
В электронной пушке электроны разгоняются под действием напряжения до 100 кв. Пройдя конденсорную линзу, параллельный пучок электронов попадает на объект. Чтобы исключить значительное поглощение электронов объектом, его наносят на очень тонкую коллоидную пленку, толщина которой 10-20 мк.
Электронный луч, проходя через объект, рассеивается на некоторый угол, который называется апертурой. В объективной линзе электронный пучок ограничивается металлическим кольцом, называемым апертурной диафрагмой. Она ограничивает пучок электронов, тем самым устраняется сферическая аберрация.
Электроны, рассеянные объектом, собираются объективной линзой в плоскости, где образуется промежуточное перевернутое, увеличенное изображение объекта. Проекционная линза еще больше увеличивает изображение и, в определенной плоскости за ней, формируется окончательное изображение объекта. Длина волны, движущихся электронов, достигает порядка нескольких сотых ангстрема (0,05 А), что позволяет получить предел разрешения в несколько ангстрем. Это соответствует увеличению порядка 105—106 раз.