Страница 40 из 67
Действительно, так и происходит. Очень маленькие предметы свет огибает полностью.
Свет как бы «не замечает» очень малых препятствий. И их поэтому нельзя увидеть, и никакое увеличение тут не поможет.[21]
Предметы, имеющие в поперечнике меньше 0,2 микрона, не отбрасывают тени, свет их огибает со всех сторон, как звуковые волны мебель в комнате, и они остаются невидимыми при любых увеличениях микроскопа.
Предел полезного увеличения
Человеческий глаз очень зорок, он способен заметить паутинку, натянутую между деревьями, особенно если она освещена солнцем, а толщина паутинки — 5 микронов. При обычном освещении мы в состоянии увидеть тонкий волос, толщиной в 25 микронов. Предмет, вчетверо больший, толщиной около 100 микронов — как, например, тире в этой книге — уже виден прекрасно.
Следовательно, чтобы разглядеть предмет диаметром в 0,2 микрона, его видимые размеры надо увеличить до 100 микронов, то есть до размеров, хорошо видимых глазом. А для этого достаточно иметь увеличение всего лишь в 500 раз, так как 100: 0,2 = 500!
Оптики считают, что увеличение в 1000 раз еще помогает различать новые детали или особенности рассматриваемого предмета, но большее увеличение уже совершенно бесполезно. Оно не позволит увидеть более мелких частиц, не позволит различить никаких новых деталей наблюдаемой в микроскоп картины.
Именно поэтому тысячекратное увеличение оказалось пределом полезного увеличения обычного микроскопа; и именно поэтому такой микроскоп не дает возможности видеть вирусы, размеры которых много меньше 0,2 микрона.
Но раз все дело в длине волны, естественно возник вопрос — нельзя ли воспользоваться такими электромагнитными колебаниями, у которых длина волны меньше, чем у видимого света?
Прежде всего обратились к ультрафиолетовым лучам. Ультрафиолетовый микроскоп, в особенности тот тип его, который был разработан в Советском Союзе Е. М. Брумбергом по идее академика С. И. Вавилова и под его руководством, оказался очень полезным для многих исследований. Многие биологические препараты, в тонких срезах слишком прозрачные для видимого света, гораздо сильнее поглощают ультрафиолетовые лучи. Поэтому в ультрафиолетовом микроскопе такие препараты дают гораздо более контрастную картину, чем в обычном микроскопе.[22]
Однако волны света, применяемые в ультрафиолетовом микроскопе, только немногим короче волн видимого света, и поэтому наблюдать вирусы и другие столь же мелкие объекты ультрафиолетовый микроскоп не позволяет.
У рентгеновских лучей длины волн в тысячи раз меньше. Но они почти не преломляются, и поэтому для них нельзя изготовить линз, дающих увеличенное изображение. Кроме того, большинство веществ для рентгеновских лучей прозрачно, и сквозь какой-нибудь вирус они пройдут без задержки, не давая никакой тени от него.
Задачу решают электроны
Не помогут ли электроны увидеть невидимое? На первый взгляд электроны здесь бесполезны Ведь мы представляем их себе в виде мельчайших частичек. Разве могут частички соперничать со световым лучом и даже заменять его? А почему бы и нет?
Если сыпать из сита муку на руку, то на столе образуется «тень» руки — место, куда мука не насыпалась (рис. 74).
Рис. 74. Сравнение тени от руки, полученной в световом потоке и в потоке мелких просеянных сквозь сито, частиц муки.
Художники иногда вместо кисти пользуются пульверизатором. Выдувая краску из пульверизатора мелкой пылью и прикладывая к окрашиваемой поверхности заранее заготовленные шаблоны — трафареты, они быстро получают нужный узор.
Там, где в трафарете вырезаны отверстия, распыленная краска ложится на раскрашиваемый предмет, где отверстий нет, остается «тень» — незакрашенное место.
Распыленной краской можно рисовать не хуже, чем кистью.
Наука пока еще имеет весьма смутные представления о размерах электрона. Известно лишь только то, что они очень малы. Их поперечник по всей вероятности определяется миллионными долями миллимикрона. Не миллиметра, а именно миллимикрона! Это значит, что вирус табачной мозаики во много миллионов раз крупнее электрона!
Если мысленно увеличить электрон до размеров маленькой дробинки, то вирус табачной мозаики придется представить себе в виде огромной горы.
Дробинка, выпущенная из ружья, не может облететь гору стороной, подобно птице. Так и электроны, вылетевшие из электронной пушки, не смогут обогнуть «гору» — вирус. Электроны могут пронизать его насквозь в миллионе мест и долететь к экрану. Но не все электроны беспрепятственно пролетят сквозь вирус. Для электронов вещество почти не прозрачно и только сквозь тончайшие слои могут пролетать быстрые электроны.
Некоторые из электронов, пролетая близко от атомов (а вирусы, как и все тела в природе, состоят из атомов), будут отклонены электромагнитными полями атомов и изменят свой путь.
Там, где у вируса имеется какое-либо утолщение или уплотнение, электроны встретят больше атомов и многие из них отлетят в стороны, то есть рассеются, не достигнув экрана.
В тех местах, где вирус тоньше, где атомов меньше, электроны пройдут более свободно. И на экране получится тень вируса — более темная там, где вещество уплотнено, и более светлая, где веществе тонко.
Однако пытаться разглядеть электронную тень вируса — дело совершенно бессмысленное. Тень вируса будет почти столь же мала и так же невидима, как и сам вирус, — портрет этого врага человека, сделанный в натуральную величину, бесполезен.
Получить сильно увеличенные изображения вирусов и других мельчайших телец можно только в том случае, если найдется способ подчинить электронный луч законам оптики, то есть заставить его преломляться и фокусироваться — давать увеличенное изображение предмета.
Само собой разумеется, что применить для этой цели стеклянные линзы не удастся. Не только стекло, но даже воздух почти непроницаем для электронного луча. Налетая на атомы и молекулы газов или других веществ, электроны отскакивают от них, почти как мячи, и рассеиваются в окружающем пространстве.
Следовательно, электронный микроскоп должен быть безвоздушным. Условия нелегкие, — только в сказках бывают такие загадки. Но все же эту трудность удалось преодолеть. Воздух из корпуса микроскопа откачали, а линзами послужили электрические или магнитные поля.
Магнитным полем можно заставить электрон лететь по спирали, проделывать сложные сальто и петли.
Поэтому магнитные поля, создаваемые катушками определенной формы, оказались прекрасными линзами для электронного луча (рис. 75).
Рис. 75. Магнитное поле служит линзой для электронных лучей.
Теоретические расчеты показывали, что электронный микроскоп при достаточном его усовершенствовании способен дать полезное увеличение не в тысячу раз, как оптический микроскоп, а в миллионы раз. Он должен позволить четко различать частицы размером в сотые доли миллимикрона. Электронный микроскоп может снять «шапку-невидимку» с вирусов, со всего необъятного мира ничтожно-малых телец и даже с молекул.
Советский электронный микроскоп
В начале 1940 года академик А. А. Лебедев вместе со своими сотрудниками В. Н. Верцнером и Н. Г. Зандиным начал проектировать и строить первый советский электронный микроскоп.
В обычном световом микроскопе в его нижней части помещается источник света или зеркальце, отражающее лучи какого-либо источника света. Его лучи проходят сквозь стеклянную линзу, которая называется конденсорной или собирательной. Она собирает световые лучи в конический пучок и направляет их на стеклянную пластинку, на которой лежит исследуемый предмет.
21
Невидимыми остаются все предметы, размеры которых в 2–3 раза меньше длины световой волны, то есть меньше 0,40—0,75 микрона.
22
В ультрафиолетовом микроскопе увеличенная картина препарата изображается на экране, который светится видимым светом под воздействием ультрафиолетовых лучей или на фотографической пластинке, чувствительной к ультрафиолетовым лучам.