История микроскопа

Оглавление

 

Хронология событий 3

1. История оптического микроскопа 4

2. История электронного микроскопа 7

3. История сканирующего зондового микроскопа 9

Биографический справочник 12

Список используемой литературы 16

Хронология событий

1590	Голландские изготовители очков Ганс Янсен и его сын Захарий Янсен изобрели оптический микроскоп.
1609	Галилео Галилей изобретает составной  микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами.
1624	Галилей показывает оккиолино принцу Федерику - основателю Национальной академии деи Линчеи.
1625	Джованни Фабер предлагает для нового изобретения Галилея термин микроскоп по аналогии со словом телескоп.
1664	Роберт Гук публикует свой труд «Микрография».
к. 1660-х	Христиан Гюйгенс создаёт окуляр Гюйгенса.
1674	Антони ван Левенгук улучшает микроскоп до возможности увидеть одноклеточные организмы.
1784	Создание микроскопа Эпинуса.
1860-е	Эрнст Аббе открывает число Аббе и первым разрабатывает теорию микроскопа, что становится прорывом в технике создания микроскопов.
1924	Луи де Бройль высказывает гипотезу о волнах де Бройля.
1926	Ханс Буш создаёт магнитную электронную линзу.
1931	Руска и Кнолл создают первый ПЭМ.
1981	Герд Бинниг и Генрих Рорер разрабатывают сканирующий туннельный микроскоп.
1985	Герд Бинниг, Куэйт и Гербер создают сканирующий атомно-силовой микроскоп.

 

1. История оптического микроскопа

Оптический микроскоп - (от греч. mikros – малый, skopeo - смотрю) - оптический прибор для получения увеличенных изображений малых объектов и их деталей. Доподлинно не известно, кто был создателем первого в мире микроскопа, однако наиболее ранние сведения о микроскопе связывают с 1590 годом и жителями голландского города Мидделбург Захарией Янсеном и Иоанном Липперсгеем, занимавшимися изготовлением очков. Созданный Янсеном прибор представлял собой трубку с двумя выпуклыми линзами, а выдвижной тубус позволял производить фокусировку на объекте. Изобретение голландца, дававшее увеличение в 3-10 раз, считается первым или одним из первых микроскопов.

Рис. 1. Микроскоп Галилея

Позже, а именно в 1609 году во Флоренции, итальянский физик Галилео Галилей создал оккиолино – подзорную трубу, которую применял в роли микроскопа. Использование более короткофокусных линз позволило Галилею создать уменьшенную копию своего изобретения, которую он презентовал в 1624 году в Академии деи Линчеи. Через год, в 1625, друг Галилея Джованни Фабер предложил называть оккиолино микроскопом. Вскоре термин закрепился за всеми приборами подобного рода.

В это время в Италии, Дании и Англии стали закладываться  основы современной микроскопии. Так в конце 1660 годов голландским механиком Христианом Гюйгенсом ван Зёйлихемом был создан первый составной окуляр, сегодня известный как окуляр Гюйгенса. Прибор состоял из 2 плоско-выпуклых линз в цилиндрической оправе, направленных выпуклыми сторонами к падающему свету. Окуляр Гюйгенса позволял укоротить трубку  микроскопа.

Рис. 2. Микроскоп Роберта Гука

Во многом стремительное  развитие микроскопии связано с деятельностью английского естествоиспытателя Роберта Гука. В сентябре 1664 года им была опубликована книга под названием «Micrographia», посвященная наблюдениям, сделанным с помощью различного рода линз. Книга получила широкую известность в первую очередь благодаря великолепным гравюрам, изображающим насекомых и некоторые другие объекты под большим увеличением.

Рис. 3. Микроскоп Левенгука

Вдохновлённый трудом Гука нидерландский  натуралист Антони ван Левенгук использует созданные собственными руками микроскопы для зоологических исследований. Микроскопы Левенгука имели очень простую конструкцию: пластинка с линзой в центре, однако прибор позволял увидеть бактерии, эритроциты, сперматозоиды, строение глаз насекомых. Сохранившиеся до сегодняшнего дня образцы микроскопов, созданных нидерландским конструктором, дают увеличение в 275 раз, что существенно превосходило аналоги.

Во второй половине XVII века к конструкции микроскопа добавляются полевая линза, микрометрический винт, под столиком микроскопа помещается зеркало.

В начале XVIII века микроскопы получили широкое распространение в России. Член Петербургской академии наук математик Леонард Эйлер в 1747 году высказал идею создания микроскопа с ахроматическим объективом. В 1784 году, основываясь на работах российского и германского физика Франца Ульриха Марии Теодора Эпинуса, такой микроскоп был создан. Последующее усовершенствование ахроматических микроскопов позволило получать увеличение более 500 крат.

Рис. 4. Микроскоп Эпинуса

В 1860-х годах немецкий физик-оптик  Эрнст Карл Аббе разработал дифракционную теорию формирования изображений несамосветящихся объектов, определил предел разрешения микроскопа, рассчитал высококачественные ахроматические и апохроматические объективы. Это дало серьёзную теоретическую основу для изготовления оптических приборов, тогда как ранее построение микроскопов основывалось на методе проб и ошибок. Теория Аббе лежит в основе современного микроскопостроения.

2. История электронного микроскопа

Рис. 5. Электронный микроскоп

Электронный микроскоп – прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 10⁶ раз) увеличенного изображения объекта, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30-1000 кэВ и более) в условия глубокого вакуума.

Основы корпускулярно-лучевых  оптических приборов были заложены ирландским математиком Уильямом Роуэном Гамильтоном в конце двадцатых начале тридцатых годов XIX века. Он установил существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовых полях.

В 1924 году французский физик-теоретик Луи де Бройль высказал гипотезу о  том, что корпускулярно-волновой дуализм  присущ не только фотоном, но вообще всем частицам, в том числе и электронам. После этого стала очевидна целесообразность создания электронного микроскопа.

Через 2 года, в 1926, немецкий физик  Ханс Буш исследовал фокусирующие свойства осесимметричных полей и разработал магнитную электронную линзу. Она представляла собой устройство, создающее магнитное или электрическое поле для фокусировки электронных пучков, их формирования и получения электронно-оптических изображений.

Первый просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) был создан 9 марта 1931 года немецкими инженерами Эрнстом Руской и Максом Кноллом. Этот прибор был предшественником современного оптического просвечивающего электронного микроскопа. В ПЭМ изображение от образца толщиной порядка 0,1 мкм формируется в результате воздействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами и регистрацией на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе.

В конце 30-х - начале 40-х были построены первые растровые электронные  микроскопы (РЭМ), работающие на принципе сканирования, то есть последовательного  от точки к точке перемещения  тонкого электронного пучка по объекту. Массовое применение этих приборов началось в 1960-х годах.

3. История сканирующего зондового микроскопа

Рис. 6. СЗМ

Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) – микроскоп, предназначенный  для получения изображения поверхности  и её локальных характеристик.

История зондовой микроскопии  берет истоки в 80-х годах прошлого века. Все началось с того, что  в 1982 году сотрудниками лаборатории IBM в Рюмликоне в Швейцарии Генрихом Рорером и Гердом Беннингом был создан первый туннельный микроскоп. 

В то время уже существовали методы электронной микроскопии, которые  используют и сейчас. Но они имеют  ряд существенных недостатков. Прежде всего, для исследования и диагностики  поверхности образца необходимо создание вакуума, а также есть ограничения в размерах исследуемых объектов. Это неудобно, и ограничивает в выборе объектов исследования. Например, нельзя исследовать жидкие объекты. К тому же получение высокого разрешения этим методом является весьма критичным, так как поверхность подвергается облучению пучка электронов с энергией порядка 300 КэВ, что может вызвать ее частичное разрушение.

Исследования поверхности  объекта туннельным микроскопом  тоже приходится делать в вакууме. Но в отличие от электронной микроскопии  туннельный микроскоп позволяет  вести исследования с большим  разрешением. Принцип работы туннельного  зондового микроскопа основан на эффекте протекания тока между металлической  иглой и проводящим образцом во внешнем электрическом поле, этот эффект еще называют туннелированием электронов через потенциальный барьер, роль которого выполняет пространство между иглой и проводящей поверхностью. Зонд подводится к поверхности на расстояние порядка нескольких ангстрем, то есть нескольких десятков нанометров.

Рис. 7. Принципиальная схема работы АСМ.

Логическим витком в развитии зондовой микроскопии стало изобретение в 1986 году Гердом Беннингом, Келвином Куйтом, Кристофером Гербером атомно-силового микроскопа. Характерным отличием его от сканирующего туннельного микроскопа стало то, что для проведения исследований не требуется вакуум, их можно проводить и в атмосфере, заранее заданном газе, сквозь пленку жидкости. В основе работы атомно-силового микроскопа лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью образца. Датчик, с помощью которого осуществляется регистрация, представляет собой упругую консоль, которую еще называют контилевером, с зондом на конце. Упругость необходима для того, чтобы сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводила к изгибу консоли, величина которого регистрируется. Таким образом, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью. Атомно-силовой микроскоп измеряет отклонения зонда как в направлении, перпендикулярном поверхности объекта, так и в плоскости поверхности, в направлениях, параллельных ей. Получение изображения поверхности напрямую связано с изгибом упругой консоли, который регистрируется оптическим методом. Этот метод заключается в следующем. На консоль датчика, покрытую специальным зеркальным алюминиевым слоем для наилучшего отражения, фокусируется излучение полупроводникового лазера, которое, отражаясь от поверхности консоли, попадает на фотодетектор. Его роль выполняет специальный четырехсекционный полупроводниковый фотодиод.

При деформации изгиба консоли  луч лазера будет смещаться относительно секций фотодиода, а его разностный сигнал и будет показывать амплитуду  смещения в ту или иную сторону. Существует два режима работы микроскопа. При  сканировании образца, при котором  изгиб консоли поддерживается равным определенному значению, зонд перемещается вдоль поверхности. Напряжение, возникающее  на электроде, записывается в память компьютера. Пространственное разрешение определяется радиусом закругления  зонда и чувствительностью системы, к изменению изгиба консоли. В  другом режиме работы сама поверхность  перемещается относительно зонда.

Современная атомно-силовая  микроскопия активно используется для исследования свойств полупроводниковых  и других материалов, например, распределения  электрического потенциала поверхности, в том числе диэлектрических  материалов, а также позволяет  исследовать биологические объекты. Например, изучается изменение форм клеток крови, в основном эритроцитов, и строение их мембран при взаимодействии с вирусами, исследуются пленки Легмюра-Блоджетт, поверхности CD и DVD дисков, интегральные микросхемы. Методика АСМ используется и в нанолитографии. Так в 1989 году сотрудник компании «IBM» Дональд Эйглер с помощью определенных движений острием сканирующего микроскопа выложил атомами ксенона на грани (110) монокристалла никеля название своей фирмы. Таким образом, можно сказать, что силовая зондовая микроскопия является одним из наиболее современных методов исследования поверхности объектов с высоким пространственным разрешением, а также мощным инструментом нанотехнологии при создании структур с нанометровыми размерами.

Биографический  справочник

Эрнст Карл Аббе

(23 января 1840, Айзенах — 14 января 1905, Йена)

Немецкий физик-оптик, астроном, изобретатель технологии важных разделов оптико-механической промышленности, автор теории образования изображений в микроскопе.

Герд Карл Бинниг

(20 июля 1947, Франкфурт-на-Майне)

Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1986 года за изобретение сканирующего туннельного микроскопа. Разработки Биннига расширили возможности нанотехнологий, позволив не только визуализировать отдельные атомы, но и манипулировать ими.

Луи Виктор Пьер Раймон, 7-й герцог Брольи (Луи де Бройль)

(15 августа 1892, Дьепп — 19 марта 1987, Лувесьен)

Французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике за 1929 год, член Французской академии наук (с 1933 года) и её непременный секретарь (с 1942 года), член Французской академии (с 1944 года). Луи де Бройль является автором работ по фундаментальным проблемам квантовой теории. Ему принадлежит гипотеза о волновых свойствах материальных частиц (волны де Бройля или волны материи), положившая начало развитию волновой механики. Он предложил оригинальную интерпретацию квантовой механики (теория волны-пилота, теория двойного решения), развивал релятивистскую теорию частиц с произвольным спином, в частности фотонов (нейтринная теория света), занимался вопросами радиофизики, классической и квантовой теориями поля, термодинамики и других разделов физики.