Волновые свойства частиц можно использовать не только для структурного дифракционного анализа, но и для получения увеличенных изображений предмета.

Предел разрешения оптического микроскопа (Лк. №11,) определя­ется в основном наименьшим значением длины волны света, восп­ринимаемого глазом человека. Подставив в эту формулу значение длины волны де Бройля (4), найдем предел разрешения элек­тронного микроскопа, в котором изображение предмета формиру­ется электронными пучками:

, (5)

где h – постоянная Планка; е и m – заряд и масса электрона; U – ускоряющее напряжение; n – показатель преломления среды; u – апертурный угол. Из (5) видно, что предел разрешения z электронного микроскопа за­висит от ускоряющего напряжения U, увеличивая которое можно добиться, чтобы предел разрешения был значительно меньше, а разрешающая способность значительно больше, чем у оптическо­го микроскопа. Электронный микроскоп и его отдельные элементы по своему назначению подобны оптическому (рис. 2).

В электронном микроскопе носителем информации об образце являются электроны, а их источником — подогреваемый катод 1. Ускорение электронов и образование пучка осуществляется фоку­сирующим электродом и анодом — системой, называемой элек­тронной пушкой 2. После взаимодействия с образцом (в основном рассеяние) поток электронов преобразуется и содержит информа­цию об образце. Формирование потока электронов происходит под воздействием электрического (система электродов и кон­денсаторов) и магнитного (система катушек с током) полей. Эти системы называют электронными линзами по аналогии с оптическими линзами, которые формируют световой поток (3 – конденсорная; 4 – электронная, служащая объективом; 5 – проекционная). Изображение регистрируется на чувствительной к электронам фотопластинке или катодолюминесцирующем экране 6.

Чтобы оценить предел разрешения электронного микроскопа, подставим в формулу (4) ускоряющее напряжение U = 100 кВ и угловую апертуру u ~ 10^-2 рад (приблизительно такие уг­лы используют в электронной микроскопии). Получим z ~ 0,1 нм; это в сотни раз лучше, чем у оптических микроскопов. Примене­ние ускоряющего напряжения, большего 100 кВ, хотя и повыша­ет разрешающую способность, но сопряжено с техническими сложностями, в частности происходит разрушение исследуемого объекта электронами, имеющими большую скорость. Для биоло­гических тканей из-за проблем, связанных с приготовлением об­разца, а также с его возможным радиационным повреждением, предел разрешения составляет около 2 нм. Этого достаточно, чтобы увидеть отдельные молекулы.

Укажем некоторые особенности эксплуатации электронного микроскопа. В тех его частях, где пролетают электроны, должен быть вакуум, так как в противном случае столкновение электронов с молекулами воздуха (газа) приведет к искажению изображения. Это требование к электронной микроскопии усложняет процедуру исследования, делает аппаратуру более громоздкой и дорогой. Ва­куум искажает некоторые свойства биологических объектов, а в ря­де случаев разрушает или деформирует их.

В качестве препаратов в электронной микроскопии используются очень тонкие срезы (толщина менее 0,1 мкм) биообъектов, так как электроны сильно поглощаются и рассеиваются веществом.

Для исследования поверхностной геометрической структуры клеток, вирусов и других микрообъектов делают отпечаток (реплику) их по­верхности на тонком слое пластмассы. Обычно предва­рительно на реплику в вакууме напыляют под скользящим (ма­лым к поверхности) углом слой сильно рассеивающего электроны тяжелого металла (например, платины), оттеняющий выступы и впадины геометрического рельефа.

К достоинствам электронного микроскопа следует отнести боль­шую разрешающую способность, позволяющую рассматривать крупные молекулы, возможность изменять при необходимости ус­коряющее напряжение и, следовательно, предел разрешения, а также сравнительно удобное управление потоком электронов с по­мощью магнитных и электрических полей.

Электронные микроскопы позволяют получить увеличение порядка 10⁵ - 10⁶, а их предел разрешения в сравнении с оптическим микроскопом в сотни раз меньше.