Текст 3. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 23. Изобретение микроскопа и изучение микромира (выдержки)

В первой половине 19-го века на основе идеи Александра Фишера (1803-1884 гг.), работавшего профессором Московского университета им. М. В. Ломоносова, был создан панкратический микроскоп…

Построен панкратический микроскоп был по принципиально новой оптической схеме, позволяющей плавно изменять увеличение изображения в процессе наблюдения исследуемого предмета без замены объектива и окуляра. Увеличение изображения предмета изменялось благодаря плавному перемещению объектива микроскопа относительно его предметного столика, на котором размещался наблюдаемый препарат.

Однако современные объективы оптических микроскопов с масляной иммерсией (термин "иммерсия" происходит от латинского слова "immersio" − "погружение" и обозначает "размещение между первой линзой объектива микроскопа и рассматриваемым предметом жидкости для увеличения разрешающей способности микроскопа") при числовой апертуре 1,50 стали возможными только после работ выдающегося немецкого оптика Эрнста Аббе (1840-1905 гг.). Э. Аббе разработал теорию образования изображения наблюдаемого предмета в оптическом микроскопе. Именно им была внесена ясность в вопрос о разрешающей способности такого вида микроскопа.

Под его руководством в 1872 году была рассчитана и изготовлена немецкой фирмой "Карл Цейс" в г. Йене серия первоклассных микрообъективов-ахроматов с апертурой до 1,50. В 1886 году получившая мировую известность фирма " Карл Цейс", руководимая Э. Аббе, выпустила серию микроскопов с объективами из восьми апохроматов (с компенсационными окулярами), а в 1888 году она создала апохромат с монобромнафталиновой иммерсией при апертуре 1,60. Характеризуя роль Э. Аббе в развитии микроскопии, известный советский физик-оптик, академик АН СССР Д. С. Рождественский (1876-1940 гг.), ставший в 1918 году первым директором Государственного оптического института, в свое время написал: "Э. Аббе впервые ясно показал, что каждой остроте инструмента соответствует свой предел возможности. Нельзя грубыми пальцами обрабатывать даже мягкий материал с точностью до сотой доли миллиметра, для этого нужны тонкие инструменты. Тончайший же из всех инструментов − это длина волны. Нельзя видеть объекты меньше полудлины световой волны – утверждает дифракционная теория Э. Аббе и нельзя получить изображение меньше полудлины волны, то есть меньше 0,25 микрона. Таким образом, гением Э. Аббе было установлено сознательное творчество в микроскопии и достигнуты пределы возможного".

Английский оптик Дж. Сиркс своими научными трудами от 1893 года положил начало интерференционной микроскопии. В 1903 году Р. Жигмонди (R. Zsigmondy) и Х. Зидентопф (Н. Siedentopf) создали ультрамикроскоп. В 1911 году М. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый двухлучевой интерференционный микроскоп, а в 1935 году Ф. Цернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в оптических микроскопах прозрачных и слабо рассеивающих белый свет объектов. За изобретение фазово-контрастного микроскопа профессор по кафедре теоретической физики Ф. Цернике в 1953 году был удостоен Нобелевской премии по физике. В 1951 году Эрвин Мюллер изобретает полевой ионный микроскоп и первым видит атомы. В первой половине 20- го века был изобретен электронный микроскоп, а в 1953 году финским физиологом А. Вильской (A. Wilska) был изобретен аноптральный микроскоп. В 1967 году Э. Мюллер за счет добавления масс-анализатора к своему полевому ионному микроскопу создает первый зондирующий атомный микроскоп, позволивший ему производить химическую идентификацию каждого индивидуального атома.

Появление электронного микроскопа стало возможным после ряда физических открытий, совершенных учеными в период конца 19-го и начала 20-го столетий. Первым в этом ряду открытых людьми тайн микромира стоит открытие электрона, совершенное в 1897 году выдающимся английским физиком Джозефом Томсоном (1856-1940 гг.). Следует напомнить, что за это открытие Дж. Томсону была присуждена Нобелевская премия по физике за 1906 год. Далее в 1924 году выдающимся французским физиком Луи де Бройлем (1892-1971 гг.) было введено понятие корпускулярно-волнового дуализма для электронов (позже для иных элементарных частиц и атомов), согласно которому эти частицы одновременно являются и волнами особого рода. В 1927 году известный английский физик Джордж Томсон (сын упомянутого выше Дж. Томсона и также лауреат Нобелевской премии по физике) и американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер, изучая дифракцию электронов на дифракционных решетках и монокристаллах, экспериментально подтвердили наличие у них волновых свойств и соответственно существование электронных волн. Отметим тот важный факт, что в 1929 году Л. де Бройль за пионерские теоретические разработки в области волновых свойств электронов и корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц был удостоен Нобелевской премии по физике. Здесь необходимо упомянуть и об известных экспериментах немецкого физика Отто Штерна, проведенных в 1929 году для изучения волновой природы нейтральных атомов и молекул, рассеиваемых на двухмерной дифракционной решетке кристаллов. Кроме того, в 1926 году немецкий физик Г. Буш создал магнитную линзу, позволяющую фокусировать электронные лучи. Это изобретение также послужило предпосылкой для создания в 1930-х годах первого электронного микроскопа. В начале в 1931 году Р. Руденберг первым получил патент на электронный просвечивающий микроскоп. Затем в том же году М. Кнолль и Э. Руска построили первый прототип современного прибора, именуемого электронным просвечивающим микроскопом. Заметим, что в 1986 году известный немецкий физик Эрнст Руска (1906-1988 гг.) за фундаментальные работы по электронной оптике и создание им еще в 1931 году первого электронного просвечивающего микроскопа стал лауреатом Нобелевской премии по физике.

Cканирующий атомно-силовой микроскоп (Atomic Force Microscope) является сканирующим зондовым микроскопом высокого разрешения. Используется этот вид микроскопа для определения рельефа как электропроводящих, так и диэлектрических поверхностей объектов наблюдения с разрешением от десятков ангстрем и вплоть до атомарного. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был создан в США в 1982 году Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером как модификация ранее изобретённого одним из них сканирующего туннельного микроскопа. В отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинный трёхмерный рельеф его поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется высокий вакуум, в котором размещается и исследуемый образец, а большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или в жидкости. АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Показано, что АСМ можно использовать для определения типа атомов в кристаллической решётке вещества. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним с просвечивающим электронным микроскопом и сканирующим туннельным микроскопом. Укажем, что в 1988 году Альфред Церезо, Теренс Годфри и Джордж Смит впервые применили позиционно чувствительный детектор в зондирующем атомносиловом микроскопе. Это позволило им с помощью подобного детектора видеть положение атомов вещества в трёхмерном (евклидовом) пространстве.