Óptica I. Física.3. Óptica Electrónica. FÍS.

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Física

La doble naturaleza del electrón. El descubrimiento del efecto fotoeléctrico (v. FOTOELECTRICIDAD) supuso una verdadera revolución en las hipótesis sobre la naturaleza de la luz. La única manera de explicarlo era la de admitir que la luz se comportaba como una partícula capaz de transportar una energía W=hv, producto de la constante h de Planck por la frecuencia de la radiación luminosa. Para explicar, por el contrario, las interferencias (v.) o la difracción (v.) de la luz, es preciso seguir considerando a ésta como una onda electromagnética. Al fenómeno ondulatorio luminoso, caracterizado por su frecuencia v o por su longitud de onda x, le corresponde un fenómeno mecánico, caracterizado por su momento lineal p=h/a.

El físico francés Luis de Broglie sugirió la posibilidad de que también las partículas materiales, los electrones en particular, pudieran estar dotados de esta doble naturaleza. Ciertas anomalías que se presentaban dentro del cuadro de la teoría atómica de Bohr podían explicarse admitiendo que los electrones, al moverse, llevan consigo una onda asociada. Esta idea, concebida el año 1923, le valió el galardón del premio Nobel, que le fue concedido en 1929.

La naturaleza íntima de las ondas asociadas no está bien definida. Algunas veces se las conoce con el nombre de ondas de probabilidad. De Broglie deduce teóricamente que la longitud de onda a de estas ondas asociadas depende de la masa m de la partícula y de la velocidad v con que se mueven. Encuentra que su valor es: h

A=mv

Una pelota de golf, que pesa 150 g., que lleva una velocidad de 20 m/seg., lleva asociada una onda cuya longitud es:

6,63 x 10-34

a=0,15 x 20=2,20X 10-34 m

que es imposible de detectar. Un electrón, acelerado con una diferencia de potencial de 50.000 voltios, alcanza una velocidad del orden de 120.000 Km/seg. Como su masa es 9,01 X 10-31 Kg. resulta:

x=0,055 A

que resulta ser cientos de veces menor que las más comúnmente utilizadas de los rayos X.

Dos años más tarde, y por un puro azar experimental, los físicos americanos Davisson y Germer demostraron la existencia de la onda asociada, comprobando que la expresión teórica concebida por De Broglie es correcta. A partir de este momento, la Mecánica ondulatoria (v.)

encuentra su primera prueba experimental convincente, a la vez que surge una nueva ciencia, la Ó. electrónica. Lentes eléctricas y magnéticas. Los electrones son desviados por los campos (v. CAMPOS, TEORÍA DE LOS) eléctricos y magnéticos. Si los campos se eligen y disponen convenientemente, puede conseguirse que las desviaciones se traduzcan en verdaderas refracciones. Esto quiere decir que es posible conseguir que un conjunto de electrones que salen divergentes de un punto pueden volverse a reunir después en otro punto. Los campos eléctricos y magnéticos con los que se logra refractar los electrones reciben, respectivamente, los nombres de lentes eléctricas y lentes magnéticas. De ambas clases se construyen tipos muy diferentes, de acuerdo con los cometidos que tengan que realizar.

El modelo más sencillo de lentes eléctricas son las lentes de abertura. Consisten simplemente en una pantalla, de poco espesor, en la que se ha practicado una pequeña abertura, que divide el espacio en dos regiones, en las que el campo eléctrico es diferente. El cambio de potencial eléctrico tiene lugar bruscamente en la propia abertura. Si VI y V2 son los potenciales a uno y otro lado de la lente (fig. 1) y vi y v2 las velocidades con que los electrones se mueven en las regiones 1) y 2), se cur1ple que:

sen cev2V2

senvI -YVi

expresión en todo comparable a la ley de la refracción de la luz. La técnica ha progresado de tal manera que las lentes se construyen desprovistas prácticamente de aberraciones.

De mucho más fácil manejo son las lentes magnéticas, por lo que las eléctricas se utilizan menos cada vez. Veamos, con un poco más de detalle, su fundamento. Cuando un electrón se mueve animado de la velocidad v en presencia de un campo magnético B, actúa sobre él una fuerza de valor

F=e lv X BI. Si las direcciones de v y B son perpendiculares, la trayectoria descrita por el electrón es una circunferencia

de radio r. El tiempo (periodo) que tarde en recorrerla es:

27rr 2,r T=v e -?B m

Supongamos ahora que los electrones están sometidos a un campo eléctrico E que tiende a acelerarlos en la propia dirección de B. La trayectoria que describen ahora es helicoidal (fig. 2). Ocurre entonces que el punto del que salen los electrones y el punto en el que vuelven a reunirse vienen a comportarse tal y como lo hacen un punto objeto y un punto imagen en la Ó. geométrica. El artificio electro-magnético utilizado se comporta entonces, tal y como lo hace en aquel problema, como una lente. Así, pues, en esencia, una lente magnética no eS otra cosa que un campo magnético de simetría axial (un carrete circular recorrido por una corriente eléctrica). La distancia focal f, definida de manera análoga a como se hace en Ó., depende de un factor geométrico y de la intensidad I de la corriente que recorre el arrollamiento del conductor que constituye el carrete. Su valor puede entonces variarse actuando sobre I. También, y al igual

que en la Ó. ordinaria, la abertura de la lente juega un papel primordial.

Difracción de electrones. Cuando se envía un haz de electrones sobre un cuerpo que tiene estructura cristalina, es decir, en el que los elementos que lo integran están regularmente distribuidos en tres dimensiones, se obtienen fenómenos de difracción (v.) análogos a los de la luz y los rayos X. En la fig. 3 reproducimos la figura de difracción obtenida en nuestro laboratorio, que aparece cuando un haz de electrones se envía a través de una lámina delgada de níquel. Como los electrones son fácilmente absorbidos por la materia, en necesario utilizar capas de espesor muy pequeño (hasta de algunos miles de angstroms). Por otra parte, como la interacción de la materia con los electrones es algunos miles de veces -superior a la que existe entre la materia y los rayos X, la imagen de difracción producida por las ondas asociadas puede contemplarse directamente sobre la pantalla fluorescente de que va provista la cámara de difracción de electrones: Además, bastan exposiciones cortísimas (hasta de algunos seg.) para impresionar convenientemente las placas fotográficas.

Ocurre también que como los electrones penetran muy poco en el material, es posible, utilizando una técnica apropiada (la de reflexión), conseguir mucha información sobre la estructura íntima de las superficies de los cristales, así como de películas muy delgadas, metálicas o no, que pueden depositarse sobre caras naturales o artificiales de cristales (v. PELÍCULAS DELGADAS). En la fig. 4 reproducimos un diagrama de difracción, obtenido en nuestro laboratorio, de un haz de electrones reflejados en una película de níquel que se ha depositado sobre la cara (100) recién exfoliada de un cristal de cloruro sódico.

Microscopio electrónico. Acabamos de ver que los electrones emitidos por un cierto foco pueden, después de atravesar un objeto convenientemente preparado, formar una imagen del mismo, bien sobre una pantalla fluorescente o bien sobre una placa fotográfica. Puede entonces construirse un aparato que funcione de manera análoga a como lo hace un microscopio óptico, pero que ilumina el objeto con electrones.

Los factores característicos de un microscopio son su aumento y su poder separador (v. ÓPTICOS, INSTRUMENTOS). El primero viene determinado por las características geométricas del sistema óptico. En particular los valores de las distancias focales de las lentes objetivo y ocular. Teóricamente puede conseguirse cualquier aumento por grande que sea, pues es suficiente utilizar lentes de distancia focal muy pequeña. Esto no representa un problema demasiado difícil, tanto cuando se opera con lentes ópticas como cuando se hace con lentes eléctricas o mejor aún magnéticas.

Ahora bien, de nada sirve obtener una imagen muy amplificada si en ella aparecen borrosos los detalles más íntimos del objeto. Lo importante, entonces, es que el sistema óptico separe bien los detalles del objeto independientemente de que el aumento sea grande o pequeño. El poder separador está íntimamente ligado al color de la luz que se emplea para iluminar el objeto; es decir, al valor de su longitud de onda. Ocurre que cuanto menor es ésta, tanto mejor es el poder separador del instrumento. Como la longitud de onda de la onda asociada a los electrones es miles de veces menor que la de la luz visible, el poder separador o poder de resolución de los sistemas que utiliza la Ó. electrónica es miles de veces superior a aquellos que utilizan la luz visible. Ahora bien, en la definición del poder de resolución interviene asimismo el ángulo de apertura, realmente el seno de dicho ángulo. Como éste es ahora mucho menor, ocurre que la mejora en el poder separador no es tan elevada como pudiera suponerse. De todas formas, diremos que con los actuales microscopios electrónicos, se puede, tomando precauciones muy especiales, llegar a separar detalles del objeto que distan entre sí hasta 5 A. En condiciones rutinarias, distancias del orden de 20 A se resuelven perfectamente. En cuanto al aumento, no es difícil alcanzar la cifra de 100.000. Con el microscopio óptico, como se sabe, aquellos valores son, respectivamente, del orden de la micra y de los 3.000.

El microscopio electrónico es un instrumento de grandes dimensiones; del orden del metro de longitud, cuando menos, el tubo del microscopio, aparte del resto del aparato, que varía de forma y tamaño según el modelo y casa constructora.

En el interior del microscopio reina un vacío elevado, del orden de 10-4 mm. de mercurio. En esquema sus características son las mismas que las del microscopio óptico; es decir, manantial luminoso, sistema condensador de la luz, sistema objetivo y sistema ocular. En la fig. 5 damos el esquema general de un microscopio electrónico, en el que puede apreciarse un cañón de electrones y un sistema de lentes (de tipo magnético). La diferencia esencial formal con el microscopio óptico radica en el empleo de’ una lente suplementaria, llamada lente intermedia, que hace posible mejorar el aumento, y la sustitución del ocular por una lente de proyección que proyecta la imagen final sobre la pantalla fluorescente o la placa fotográfica.

Las lentes con un núcleo de hierro dulce producen un campo magnético de simetría coaxial. El preparado que quiere observarse se coloca muy cerca del canal de entrada del objetivo. La imagen dada por el objetivo constituye ya la llamada primera imagen, la cual hace de objeto para la primera lente intermedia que produce una segunda imagen intermedia, de la que la lente proyectora de la imagen final. El aparato puede también transformarse con toda facilidad en una cámara de difracción de electrones.

Las aplicaciones del instrumento en los campos de la Física, Biología, Metalurgia, Química, etc., son realmente sensacionales y la Humanidad espera obtener resultados que la ayuden a conocer la propia naturaleza de gérmenes nocivos productores de tantas y tantas enfermedades; en particular de los virus. En la fig. 6 reproducimos fotografías obtenidas en nuestro laboratorio de microscopia electrónica de la Universidad. Generalmente, el potencial eléctrico que se utiliza para acelerar los electrones es del orden de los 50.000 voltios. Algunos microscopios especiales emplean tensiones más elevadas, de 300.000 voltios. Caben destacar el microscopio de la Univ. de Kyoto y el del millón -de voltios construido por el Prof. Dupouy, de la Univ. de Toulouse. El poder de resolución alcanza 1 A y con el último han podido contemplarse directamente algunas moléculas.

L. BRUVILLASECA.

BIBL.: L. BRu, "Publicaciones de la Universidad de La Laguna", 1940; fn, Sobre el microscopio electrónico, "Las Ciencias", Madrid 1933; P. BHIRSH, Electron Microscopy of thin Crystals, Londres 1965; E. BRUCHE, Elektronengerate, Berlín 1941; L. BRu, "Memoria de la Fundación March", Madrid 1967.