Глава 13. От теории Аббе до новых достижений в
МИКРОСКОПИИ И ДРУГИХ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
§ 13.1. История создания электронного микроскопа
Свои исследования в области улучшения конструкции микроскопов Аббе опубликовал в 1873 году. Прежде всего Аббе показал, какую роль в образовании микроскопического изображения играют объектив и окуляр этого оптического инструмента. Далее Аббе дал классификацию аберраций, искажающих изображение при наблюдении через микроскоп. Однако самой большой заслугой Аббе было установление тех пределов, которые ставит перед конструкторами оптических систем волновая природа света.
В своей теории Аббе указал границы разрешающей способности оптических микроскопов. Он установил, что разрешение (минимальное расстояние, на котором находятся две точки, демонстрируемые микроскопом раздельно) определяется выражением:
R= 
,
где R – минимальное расстояние между двумя разрешаемыми точками объекта; λ – длина волны света; n - показатель преломления среды между образцом и объективом; α - апертурный угол. Эта формула высечена на памятнике Аббе в Германии.
Приведенная формула показывает путь повышения разрешающей способности микроскопа. Одним из таких путей является уменьшение длины волны, следовательно, можно использовать не фотоны, а, например, электроны, длина волны которых намного меньше световых. Электронные микроскопы — результат воплощения этой идеи.
В основе теории электронной микроскопии лежат работы выдающихся физиков конца XIX — начала XX веков. И прежде всего таких, как лауреаты Нобелевской премии Джозеф Томсон (1856 - 1940), открывший в 1898 году электрон, Эрнест Резерфорд (1871 - 1937), создатель планетарной модели атома, и Луи де Бройль (1892 - 1987), установивший в начале 1920-х годов волновую природу электронного пучка.
История электронной микроскопии началась с теоретических работ немецкого физика Ганса Буша о влиянии электромагнитного поля на траекторию заряженных частиц. В 1926 году он доказал, что такие поля могут быть использованы в качестве электромагнитных линз, установив таким образом основополагающие принципы геометрической электронной оптики. В ответ на это открытие возникла идея электронного микроскопа. Две команды — Макс Кнолл и Эрнст Руска (1906 - 1988) из Берлинского технического университета и Эрнст Бруш из лаборатории EAG, попробовали реализовать эту идею на практике. И в 1932 году Кнолл и Руска создали первый просвечивающий электронный микроскоп. Таким образом, просвечивающий электронный микроскоп во многом подобен световому микроскопу, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В 1986 году половину Нобелевской премии получил немецкий физик Эрнст Руска «За работу над электронным микроскопом», а вторую половину премии разделили немецкий физик Герд Биннинг и швейцарский физик Генрих Рорер «За изобретение сканирующего туннельного микроскопа».
В России (в Советском Союзе) теоретические работы по электронной микроскопии проводились в нескольких исследовательских институтах и заводских лабораториях. В 1930-е годы проблему дифракции электронов изучал в Государственном оптическом институте (ГОИ) в Ленинграде А.А. Лебедев, впоследствии академик АН СССР. В 1935 году к нему пришел молодой сотрудник — инженер В.Н. Верцнер. Он и явился непосредственным разработчиком первого отечественного электронного микроскопа.
Существовала, между прочим, определенная конкуренция с московскими институтами за право разработки микроскопа нового типа, но предпочтение было отдано ГОИ. Курировало и финансировало эти работы Министерство оборонной промышленности. Уже к концу 1940 года была завершена постройка макета первого отечественного принципиально нового электронного микроскопа с электромагнитной оптикой и увеличением до 10 000 крат. Работа над ним не прекращалась даже в тяжелейшие годы войны и блокады, что позволило уже в 1942 — 1943 годах построить вторую, более совершенную, модель электронного микроскопа с увеличением 25 000 крат. Труды разработчиков были по заслугам оценены правительством: в 1947 году А.А. Лебедеву (1893 - 1969), В.Н. Верцнеру (1909 - 1980) и Н.Г. Зандину была присуждена Сталинская премия.
В дальнейшем работа над созданием промышленных отечественных микроскопов была поручена Красногорскому оптикомеханическому заводу, Сумскому заводу электронных микроскопов (Украина), а также заводу в Выборге.
Увы, в последующие мирные, а тем более нынешние рыночные времена деятельность по разработке и созданию новых электронных микроскопов у нас в стране захирела и тихо сошла на нет. Российские заводы не выдержали конкуренции с мощными японскими, немецкими, голландскими и даже чешскими фирмами, поставляющими на рынок совершенные приборы, стоимость которых исчисляется сотнями тысяч долларов.
§ 13.2. От Аббе до Габора и Денисюка
Вряд ли кто-либо будет спорить с тем, что одним из самых замечательных открытий XX столетия является голография. Однако мало кому известно, что история голографии начинается с работ Аббе.
Впервые теория двухступенчатого преобразования изображения применительно к микроскопу была высказана Аббе еще в 1873 году. Согласно теории Аббе, изображение в микроскопе происходит в два этапа:
1) вначале в фокальной плоскости объектива формируется дифракционная картина;
2) затем из отклоненных пучков формируется оптическое изображение в плоскости, сопряженной с плоскостью объекта.
Следующий шаг на пути к голографии сделал в 1939 - 1942 годах сотрудник Кэвендишской лаборатории У.Л. Брэгг (1890 - 1971). В 1915 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике «за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей». Он был самым молодым нобелевским лауреатом по физике за всю историю премии. При анализе кристаллической решетки с помощью дифракции пучка рентгеновских лучей ему удалось осуществить преобразование дифракционного изображения кристалла одного из минералов в приближенное оптическое изображение структуры его кристаллической решетки. При этом фаза волны рентгеновского излучения им не регистрировалась.
Учесть информацию о фазе волны удалось голландскому физику Ф. Цернике. В 1934 г. он поставил перед собой задачу: изыскать метод, позволяющий улучшить контрастность изображения слабоконтрастных (фазовых) объектов при наблюдении их в микроскоп.
Первая голограмма была получена в 1947 году (задолго до изобретения лазеров) Деннисом Габором (1900 – 1979) в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Он же ввел термин «голография», которым подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Нобелевская премия по физике ему была присуждена в 1971 году «за изобретение и развитие голографического метода».
Юрий Николаевич Денисюк. Совершенно самостоятельным путем к идее голографии пришел в конце 50-х годов XX века Ю.Н. Денисюк. Его внимание привлекли опыты Аббе по дифракционной картине изображения в микроскопе и опыты Френеля. У ученого возникло желание получить, используя явления дифракции, наиболее полную информацию об объекте и эту информацию зарегистрировать.
Юрий Николаевич Денисюк (1927 - 2006) свою научную карьеру начал в ГОИ (1954). Собственные эксперименты по голографии он стал проводить в 1958 году, работая в отделе, который возглавлял академик В.П. Линника (1889 - 1984). В то время в отделе велись работы по разработке и внедрению различных методов микроскопии (в частности, метода фазового контраста), а также методов контроля качества изображения объективов микроскопа. В 1962 году Денисюк предложил перспективный метод голографии с записью в трехмерной среде, а в 1968 году получил высококачественные голограммы.
В своих лекциях «Принципы голографии» (1978) Денисюк ссылается на теорию изображения в микроскопе Аббе. Он писал: «Воспроизведение спектрального состава волнового поля все же не является основным эффектом голографии. Дату появления голографии принято отсчитывать от момента создания метода воспроизведения пространственной конфигурации волновых полей, так как именно в конфигурации волнового поля собственно и содержится та информация о структуре объекта, благодаря которой мы видим его изображение. У истока исследований, которая привела к решению этой задачи, стоит работа немецкого физика-оптика Эрнста Аббе «О возникновения изображения в микроскопе», где была впервые установлена количественная связь между структурой объекта и пространственной структурой волнового поля рассеянного им излучения».
К настоящему времени голография сформировалась в самостоятельное научное направление, имеющее большое число самых разнообразных практических приложений и оказывающее существенное влияние на развитие науки и техники.