Номер ?3, страница 146, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 10. Электромагнитная природа света. Параграф 96. Исследовательские работы. Вопросы для обсуждения - номер ?3, страница 146.

Условие.

Почему при помощи оптического микроскопа нельзя увидеть молекулы и атомы? В чём преимущества электронного микроскопа перед оптическим?

Решение.

Почему при помощи оптического микроскопа нельзя увидеть молекулы и атомы?
Невозможность увидеть молекулы и атомы с помощью оптического (светового) микроскопа связана с фундаментальным физическим явлением — дифракцией света. Разрешающая способность любого оптического прибора, то есть его способность различать две близко расположенные точки, ограничена длиной волны ($ \lambda $) используемого излучения. Согласно теории, минимальное расстояние ($ d $), которое можно различить в микроскопе, примерно равно половине длины волны света: $ d \approx \frac{\lambda}{2} $.
Оптические микроскопы используют видимый свет, длина волны которого находится в диапазоне от примерно 400 нм (фиолетовый) до 700 нм (красный). Даже при использовании самого коротковолнового фиолетового света и самых совершенных объективов предел разрешения оптического микроскопа составляет около 200 нм, или 0.2 микрометра.
Размеры же атомов составляют около 0.1 нм, а размеры молекул варьируются от долей нанометра до нескольких десятков нанометров. Эти размеры в сотни и тысячи раз меньше, чем предел разрешения оптического микроскопа. Поэтому световые волны не могут "почувствовать" такие мелкие объекты, они просто огибают их (дифрагируют на них), и сформировать их чёткое изображение не удаётся.
Ответ: Увидеть молекулы и атомы в оптический микроскоп невозможно из-за дифракционного предела разрешения. Размеры этих частиц в сотни и тысячи раз меньше длины волны видимого света, который используется в таких микроскопах для получения изображения.

В чём преимущества электронного микроскопа перед оптическим?
Основное и самое главное преимущество электронного микроскопа перед оптическим заключается в его значительно более высокой разрешающей способности, что позволяет получать гораздо большее увеличение.
Это преимущество обусловлено тем, что в электронном микроскопе для получения изображения используется не поток фотонов (свет), а пучок электронов. Согласно гипотезе де Бройля, частицы, включая электроны, обладают волновыми свойствами. Длина волны электрона ($ \lambda $) зависит от его импульса ($ p $) и определяется формулой: $ \lambda = \frac{h}{p} $, где $ h $ — постоянная Планка.
В электронном микроскопе электроны ускоряются сильным электрическим полем до высоких скоростей, приобретая большой импульс. Это приводит к тому, что их длина волны становится чрезвычайно малой — в тысячи раз короче длины волны видимого света. Например, для электронов, ускоренных напряжением 100 000 вольт, длина волны составляет около 0.004 нм.
Благодаря такой короткой длине волны разрешающая способность современных электронных микроскопов может достигать 0.05 нм, что позволяет не только "увидеть" отдельные атомы, но и изучать структуру молекул и кристаллическую решетку материалов.
Другие преимущества электронного микроскопа:
1. Огромное увеличение: до 10 000 000 раз и более, в то время как у лучших оптических микроскопов — до 2000–2500 раз.
2. Большая глубина резкости: особенно у сканирующих (растровых) электронных микроскопов, что позволяет получать объемные, трехмерные изображения поверхности образца.
3. Возможность анализа состава: современные электронные микроскопы часто оснащаются дополнительными детекторами (например, для энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии), которые позволяют определять элементный состав исследуемого образца.
Ответ: Главное преимущество электронного микроскопа — значительно более высокая разрешающая способность и, как следствие, большее увеличение, что позволяет видеть объекты атомного масштаба. Это достигается за счет использования пучка электронов, длина волны которых намного короче длины волны света. Дополнительные преимущества включают большую глубину резкости и возможность анализа химического состава образца.