Најважније из лекције
Принцип: Електронски микроскоп користи Де Бројеве таласе електрона који имају знатно мању таласну дужину (\( \approx 0{,}6\text{ nm} \)) од видљиве светлости (\( \approx 600\text{ nm} \)).
Резолуција и увећање: Мања таласна дужина омогућава бар \( 1000 \) пута већу моћ разлагања и увећања преко милион пута.
Типови: Трансмисиони (ТЕМ) користи пропуштени сноп (унутрашња структура), док скенирајући (СЕМ) анализира рефлектоване електроне (површински рељеф).
Конструкција: Фокусирање се врши електромагнетним сочивима у условима високог вакуума.
Одређивање положаја: Прецизност одређивања положаја микрочестица расте са смањењем таласне дужине употребног снопа.
Резолуција и увећање: Мања таласна дужина омогућава бар \( 1000 \) пута већу моћ разлагања и увећања преко милион пута.
Типови: Трансмисиони (ТЕМ) користи пропуштени сноп (унутрашња структура), док скенирајући (СЕМ) анализира рефлектоване електроне (површински рељеф).
Конструкција: Фокусирање се врши електромагнетним сочивима у условима високог вакуума.
Одређивање положаја: Прецизност одређивања положаја микрочестица расте са смањењем таласне дужине употребног снопа.
Електронски микроскоп је уређај који користи таласна својства снопа електрона (Де Бројеве таласе) уместо светлости за осветљавање и посматрање узорака.
Дејвисон и Цермер су експериментално доказали таласна својства електрона, што је 1931. године омогућило конструисање првог прототипа електронског микроскопа.
Таласна дужина видљиве светлости износи просечно \( \lambda \approx 600\text{ nm} \), док таласна дужина убрзаних електрона може бити \( \lambda \approx 0{,}6\text{ nm} \) или мања (све до вредности изражених у пикометрима).
Што је мања таласна дужина употребног зрачења, већа је моћ разлагања инструмента, што омогућава знатно већа увећања (преко \( 1\,000\,000 \) пута, а код савремених уређаја високе резолуције и до \( 50\,000\,000 \) пута).
Колико пута је таласна дужина електрона од \( 0{,}6\text{ nm} \) мања од просечне таласне дужине видљиве светлости (\( 600\text{ nm} \))?
\[ \frac{\lambda_{\text{светлост}}}{\lambda_{\text{електрон}}} = \frac{600\text{ nm}}{0{,}6\text{ nm}} = 1000 \]
Таласна дужина електрона је \( 1000 \) пута мања од таласне дужине видљиве светлости.
Угаоно увећање представља однос угла под којим се две тачке на предмету виде под микроскопом и угла под којим би се исте тачке виделе голим оком.
Моћ разлагања (резолуција) је најмање растојање (или угаоно растојање) између две тачке на предмету при коме се оне под микроскопом још увек јасно виде као две засебне тачке, а не stopљене у једну.
Моћ разлагања и угаоно увећање електронског микроскопа су бар \( 1000 \) пута већи у поређењу са класичним оптичким микроскопом.
Сферна аберација (несавршеност сочива) код микроскопа представља главни физички фактор који поставља практичну границу максималне резолуције.
Савремени трансмисиони електронски микроскопи високе резолуције (HRTEM) достижу резолуцију до \( 50\text{ pm} = 0{,}05\text{ nm} \), чиме је могуће директно уочити распоред и положај појединачних атома у кристалној решетки.
Трансмисиони електронски микроскоп (ТЕМ): Слика настаје проласком (трансмисијом) снопа електрона кроз веома танак слој узорка. Принцип је сличан оптичком микроскопу.
Скенирајући електронски микроскоп (СЕМ): Слика настаје регистрацијом електрона који се одбијају (рефлектују) о површину узорка, дајући детаљну тродимензионалну слику рељефа.
Скенирајући тунелски микроскоп (СТМ): Тип микроскопа за анализу површина на атомском нивоу.
Електромагнетна сочива: Уместо стаклених оптичких сочива, електронски микроскоп користи комбинацију магнетних и електричних поља (калемова) да фокусира и усмери сноп електрона.
Унутар електронског микроскопа мора да влада високи вакуум како би се спречио судар електрона са молекулима ваздуха, што би довело до расејања снопа и губитка оштрине слике.
Положај неког објекта можемо одредити посматрањем рефлектованих таласа од њега само ако су димензије објекта упоредиве са таласном дужином таласа или веће од ње.
Талас веће таласне дужине заобилази препреке малих димензија (појава дифракције). Прецизност одређивања положаја честице/препреке директно зависи од таласне дужине: што је таласна дужина мања, положај се може прецизније одредити.
Ако желимо да лоцирамо објекат димензија неколико нанометара, светлосни талас (\(\lambda \approx 600\text{ nm}\)) ће га заобићи, док ће се електронски сноп кратке таласне дужине (\(\lambda \le 0{,}6\text{ nm}\)) успешно одбити и открити његову тачну позицију.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Зашто се за добијање слика објеката нанометарских димензија не може користити обичан оптички микроскоп?
Оптички микроскоп користи видљиву светлост чија је таласна дужина просечно \( \lambda \approx 600\text{ nm} \). Таласи светлости због своје релативно велике таласне дужине заобилазе објекте мање од своје таласне дужине (дифракција), па се од њих не рефлектују и не могу формирати раздвојену слику.
Задатак 2 (средњи): Које две улоге имају специфичне компоненте електронског микроскопа: зашто се користе електромагнетна сочива уместо стаклених и због чега цев мора бити под високим вакуумом?
1. Електромагнетна сочива: Стаклена сочива не могу савијати сноп наелектрисаних честица; уместо тога, магнетна и електрична поља ових сочива делују Лоренцовом силом на електроне и уобличавају сноп слично као стаклена сочива светлост.
2. Високи вакуум: Неопходан је како би електрони несметано путовали. У присуству ваздуха, електрони би се сударали са молекулима гаса, расејавали и губили енергију, што би онемогућило формирање слике.
2. Високи вакуум: Неопходан је како би електрони несметано путовали. У присуству ваздуха, електрони би се сударали са молекулима гаса, расејавали и губили енергију, што би онемогућило формирање слике.
Задатак 3 (тежак): На ТЕМ снимку високе резолуције приказана је наноструктура са мерном скалом дужине \( d = \frac{1}{5000}\text{ mm} \). Изразити ову дужину у нанометрима (\(\text{nm}\)) и одредити колико би узорака ове дужине могло стати у таласну дужину видљиве светлости (\( \lambda = 600\text{ nm} \)).
Прво претварамо милиметре у нанометре (\( 1\text{ mm} = 10^6\text{ nm} \)):
\[ d = \frac{1}{5000}\text{ mm} = \frac{10^6\text{ nm}}{5000} = 200\text{ nm} \]
Број узорака који стаје у таласну дужину видљиве светлости је:
\[ N = \frac{\lambda}{d} = \frac{600\text{ nm}}{200\text{ nm}} = 3 \]
Дакле, цела мерна скала од \( 200\text{ nm} \) је три пута мања од таласне дужине светлости, због чега се такве структуре могу посматрати само електронским микроскопом.
