میکروسکوپ الکترونی

دانش ما از اتم‌ها عمدتاً به طور غیر مستقیم فراهم آمده است. این سخن به این معناست که دانشمندان عمدتاً از روی شواهد بزرگ مقیاس، وجود ذرات بسیار ریزِ تشکیل دهنده‌ی مواد را حدس زدند و حتی با مطالعه‌ی تفصیلی و استقرایی همین رفتارها و خواص بزرگ مقیاس، خواص و کارکردهای اتم‌ها را استنتاج نمودند. این، به وضوح به این دلیل بوده است که ابعاد اتم‌ها آن قدر کوچک بوده است که انسان حتی به کمک قوی‌ترین میکروسکوپ‌هایی که در اختیار داشت قادر به رؤیت آنها و حرکاتشان نبود. درواقع ساز و کار میکروسکوپ‌های نوری به این گونه است که نوری به سطح جسمی که قرار است با بزرگ نمایی میکروسکوپ مشاهده شود تابانده می‌شود. قسمت قابل توجهی از این نور از سطح جسم بازتابانده می‌شود. نور بازتابانده شده توسط سیستم اپتیکی میکروسکوپ، کانونی یا متمرکز و به نوعی تقویت می‌شود تا به این گونه تصویر قابل مشاهده‌ای از جسم را برای مشاهده‌ی ما بازسازی می‌کند. این روال برای مشاهده‌ی اتم‌ها با شکست رو به رو می‌شود زیرا طول موج (و به زبان ساده، بزرگیِ) نور مرئی به نحو قابل ملاحظه‌ای بیش از ابعاد اتم است و بنا بر این حتی اگر نور بتواند از روی ابعاد اتم باز بتابد مسلماً نمی‌تواند حامل اطلاعاتی از جزئیات پیکربندی سطح اتم باشد و این اطلاعات را برای ما حمل کند. چنین نوری تنها می‌تواند اطلاعاتی از توده‌ای از اتم‌ها که مجموعاً ابعادی خیلی بیش از طول موج نور دارند برای ما جهت بازسازی در میکروسکوپ حمل کند. پس چاره چیست؟ چگونه می‌توان مستقیماً اتم را مشاهده کرد؟ به نظر می‌رسد یک پاسخ این باشد که از امواجی با طول موج خیلی کوچک‌تر استفاده کنیم.

آیا چنین امواجی در اختیار داریم؟ پاسخ مثبت است. ده‌ها سال قبل اشعه‌ی ایکس کشف و مورد بهره برداری قرار گرفت. این اشعه در حقیقت پرتوی الکترومغناطیسی از همان جنس نور منتهی با طول موج بسیار کوچک می‌باشد. طول موج آن در مقایسه با ابعاد اتم آن قدر کوچک هست که انعکاس آن از روی اتم بتواند به طور جزئی حاوی اطلاعاتی مفید از سطح اتم باشد. اما مشکلاتی دیگر در رابطه با استفاده از اشعه‌ی ایکس برای حصول به این هدف وجود دارد که یکی از آنها نافذ بودن این اشعه است. به این معنا که خاصیت این اشعه به گونه‌ای است که بخش قابل ملاحظه‌ای از آن از درون اتم رد می‌شود و مقدار بازتاب شده بسیار ضعیف و عملاً غیر قابل استفاده است (در واقع همین نافذ بودن این اشعه باعث گسترش استفاده از آن برای تصویر برداری از داخل هدف در آن سوی هدف در پزشکی و صنعت شده است). مشکل دیگر در راه استفاده از این اشعه در میکروسکوپ، این است که مانند نور، وسایل اپتیکی مناسبی جهت کانونی کردن آن به میزان مطلوب وجود ندارد و راهی غیراپتیکی نیز برای این کار شناخته نشده است. پس حتی اگر این اشعه به طور مناسب از سطح اتم بازتاب می‌شد قادر به متمرکز کردن اشعه‌های بازتابی جهت بزرگ کردن تصویر تشکیل شده نبودیم. دانشمندان برای حل مسأله مترصد یافتن یک پرتو موجی مناسب بودند.
وجود الکترون به عنوان یکی از اجزای تشکیل دهنده‌ی اتم که ابعادی به نحوی قابل ملاحظه کوچک‌تر از ابعاد اتم دارد در اواخر قرن نوزدهم میلادی شناسایی شد. دانشمندان آزمایش‌های متعددی به ویژه در محیط‌های گازی کم فشار روی پرتوهای کاتدی که درواقع مسیر تابش الکترون بود انجام دادند. داده‌های آزمایشی فراوانی در رابطه با الکترون گردآوری شد. معلوم شد اولاً الکترون جزء باردار کوچکی از اتم است و ثانیاًً رفتار آن در گسیل‌های کاتودیک نشان می‌داد که الکترون‌ها به صورت حرکت موجی طولی در محیط‌های کم فشار گازی منتقل می‌شوند. از این نظر رفتارشان شبیه امواج طولی صوتی است که با ارتعاشات طولیِ مولکول‌های محیط حامل موج انتقال می‌یابند. پس این نتیجه حاصل شد که هنگامی که محیط تخلیه‌ی الکترونی به اندازه‌ی کافی با ایجاد خلأ، کم فشار شوند مولکول‌های گازی‌ باقی مانده، محیط مناسبی برای انتقال موجی ارتعاشات الکترونی فراهم می‌آورند. این ارتعاشات، یک موج طولی مکانیکی واقعی هستند و می‌توان با انجام آزمایش‌هایی مثل دو شکاف و پراش بلوری و امثالهم روی آنها پدیده‌های موجی تداخل و پراش را در این امواج الکترونی مشاهده کرد. پس اکنون یک پرتو موجی، سوای امواج الکترومغناطیسی مرئی و ایکس، کشف شده بود که احتمالاً می‌توانست در میکروسکوپ، مورد استفاده قرار گیرد. با اندازه‌گیری‌های مربوط به آزمایش‌های کاملاً شناخته شده‌ی تداخل و پراش، طول موج پرتوهای موجی الکترونی اندازه گیری شد و مشاهده گردید که در حدود طول موج پرتو ایکس و به اندازه‌ی قابل ملاحظه‌ای کوچک‌تر از ابعاد اتم می‌باشد (و این امری طبیعی نیز می‌باشد زیرا ابعاد خود الکترون نیز به نحو قابل ملاحظه‌ای کوچک‌تر از ابعاد اتم است). پس از نظر کوچک بودن طول موج می‌توان از آن در میکروسکوپ استفاده کرد.

اتفاقاً این پرتو، اِشکالِ دیگر اشعه‌ی ایکس، که عدم توانایی بر کانونی نمودن آن بود، را نیز نداشت زیرا آزمایش‌های زیادی روی پرتوهای کاتودیک در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی انجام شد و اتفاقاً اصلاً نتیجه‌ی همین آزمایش‌ها که خمشِ قابل ملاحظه‌ی مسیر پرتو بود اثبات کرد که الکترون باردار است. پس با داشتن و توانایی ایجاد میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی مختلف با شدت مطلوب، قادر بودیم پرتوهای الکترونی را به اندازه و شکل دلخواه کانونی کنیم. در این زمینه، این میدان‌های اعمال شده همان نقش عدسی‌ها را در اپتیک مرئی بازی می‌کردند و از همین رو نام عدسی‌های الکتریکی یا مغناطیسی به آنها داده شد. پس پرتو موجی مناسب جهت استفاده در میکروسکوپ برای مشاهده‌ی اتم‌ها کشف شده بود. به زودی با به کار گیری فن‌آوری‌های لازم مربوط به ایجاد خلأ و ایجاد پرتوهای مناسب الکترونی، میکروسکوپ‌های الکترونی پا به عرصه‌ی وجود نهادند و چون دارای توان بزرگ‌نمایی بسیار بیش از بهترین میکروسکوپ‌های نوری بودند استفاده از آنها در صنایع مختلف علیرغم گران بودنشان گسترش یافت. با این حال هنوز به طور کامل قادر نبودیم یک اتم و رفتار آن را حتی با یک میکروسکوپ الکترونی به طور کاملاً شفاف ملاحظه کنیم. اما مشاهدات انجام شده توسط این میکروسکوپ روی اتم‌های منظم و درشت و به ویژه روی شبکه‌های بلوری اتمی به وضوح تصاویر تناوبی و منظم اتم‌ها را حتی به صورت محو اما کاملاً قابل تشخیص و غیر قابل انکار نشان می‌داد. این امر به ویژه با تحولات صورت داده شده در میکروسکوپ الکترونی روند مطلوب‌تری گرفت. مثلاً در سال 1985 میلادی میکروسکوپ الکترونی تونلی روبشی اختراع شد که در آن از سوزن تنگستنی بسیار تیزی با ابعاد نانومتری برای روبش سطح مورد نظر استفاده می‌شود.

اختلاف پتانسیلی الکتریکی بین نوک سوزن و سطح موجود بود که باعث تخلیه‌ی الکتریکی (یا همان جرقه منتها به صورت بسیار ظریف) بین نوک سوزن و سطح می‌شد. این سوزن در سطحی کاملاً افقی سطح مورد نظر را می‌روبید. میزان جریان ظریف تخلیه‌ی الکتریکی به فاصله‌ی عمودی نوک سوزن و سطح بستگی دارد و بنابراین گودی بلندی‌های سطح حتی در ابعاد اتمی باعث تغییر در شدت جریان تخلیه‌ی الکتریکی می‌شود. با هدایت و بررسی سیستماتیک و الکترونیک و کامپیوتری این جریان‌های الکتریکی ناشی از این تخلیه‌ها می‌توان شکل سطح را با بزرگی مطلوب بازسازی کرد. به این وسیله پستی و بلندی‌های اتمی و تناوب‌های آنها در شبکه‌های بلوری به خوبی مشاهده می‌گردد. تکنیک به کار گرفته شده در این نوع میکروسکوپ و سوزن تنگستنی آن به قدری دقیق و پرقابلیت است که حتی می‌توان به وضوح بعضی از اتم‌های سستِ درشت را به صورت دانه‌ای جابجا کرد یا به نحو مناسب، مکان دهی کرد. با استفاده از همین تکنیک بود که نخستین بار دانشمندان شرکت آی بی ام توانستند با چینش تنها سی و پنج اتم، واژه‌ی‌ I.B.M. را به وضوح بنگارند.