Technologický pokrok, jímž se v historii světové vědy a techniky pyšní první desetiletí 20. století, by nebyl možný bez mohutného pracovního nasazení a badatelských úspěchů fyziků a dalších přírodovědců, kteří navazovali na objevy svých velkých předchůdců. Pro vývoj fyzikálního poznání byla nejzásadnější jedna z nejstarších věd, která hraje v podstatě velkou roli dodnes - optika. V té době však již nešlo jen o prostou optiku, tedy nauku o šíření světla, ale nově o teorii elektromagnetismu, do níž zkoumání světla rovněž spadá. Pokroky ve fyzice, elektrotechnice a elektronice v časovém období mezi dvěma světovými válkami, tedy od roku 1919 do roku 1939, umožňovaly nejen zásadní inovaci přístrojů a zařízení sloužících vědeckému výzkumu, ale i vynálezy a vývoj principálně zcela nové laboratorní a měřicí techniky. Jako předzvěst budoucího stavu se také objevily první případy pronikání fyzikálních věd do průmyslové výroby. Základní výzkum se sice stále prováděl v univerzitních laboratořích, ale špičkoví vědci již nepracovali izolovaně, ale stáli v čele pracovních týmů, které měly blízko k průmyslovým pracovištím aplikovaného výzkumu.
Pohled na úroveň jednotlivých molekul či dokonce atomů je lidskému zraku svou podstatou zapovězen. Jednak samozřejmě proto, že oči jsou přizpůsobeny k vidění ve světě naší běžné zkušenosti, kde je důležitým objektem pozorování nezbytná potrava nebo neočekávaný nepřítel, nikoliv třeba atom uhlíku a molekula vody. Příroda však nastavila lidskému vidění ještě další nepřekonatelný limit, kterým je vlnová povaha světla. Ta jednoznačně zapovídá odlišit od sebe dva body, které jsou si blíže než 250 nm, což je tzv. difrakční limit optického mikroskopu, daný vlnovou délkou použitého světla.
K rozplétání světa molekul a atomů začalo docházet skutečně krůček po krůčku. Ernst Ruska se narodil uprostřed vánočních svátků roku 1906 v Heidelbergu profesoru fyziky Juliu Ruskovi a jeho ženě Elisabeth. Měl staršího bratra Helmuta, který později poprvé využil elektronový mikroskop pro lékařské a biologické aplikace. Nadaný Ernst vystudoval klasické gymnázium, chtěl se však věnovat něčemu praktickému. Oproti představám svého otce, aby se i on věnoval teoretické fyzice, zvolil si studium na technice v Mnichově (1925-1927) a později na Technické univerzitě v Berlíně, kde získal v roce 1931 elektroinženýrský diplom a roku 1934 doktorát z technických věd (PhD).
Po studiích pracoval u firem Brown-Boveri v Mannheimu a v laboratořích Siemens-Reiniger-Werke AG v Berlíně, kde se až do roku 1955 věnoval aplikovanému fyzikálnímu výzkumu; od roku 1937 v laboratoři nově založeného Ústavu elektronové optiky v Berlíně-Siemensstadtu. Po skončení druhé světové války se společně s novými kolegy zapojil do úspěšné rekonstrukce Ústavu, který byl bombardováním zcela zničen a personál rozpuštěn. Již v roce 1949 zde byly vyrobeny první přístroje. V roce 1955 se stal ředitelem Ústavu elektronové mikroskopie přidruženého k Fritz-Haber-Institutu der Max-Plank-Gesellschaft. Od roku 1957 až do roku 1974, kdy odešel do důchodu, působil souběžně také jako profesor na své alma mater.
Vynálezce elektronového mikroskopu, jednoho z nejužitečnějších vědeckých přístrojů zkonstruovaných ve 20. století, elektronovou optiku jako samostatný vědní obor moderní fyziky založil v polovině dvacátých let minulého století německý fyzik a profesor na univerzitě v Jeně Hans Busch. Ten již v roce 1926 dokázal, že se elektronové paprsky dají magnetickými čočkami zaostřovat stejně dobře jako světelné paprsky vypuklou skleněnou čočkou. Ernst Ruska se elektronově-optickým systémům věnoval již během studia na univerzitě v Berlíně pod vedením svého učitele Dr. Maxe Knolla.
Byli první, kdo se zabývali zobrazováním plošných oblastí svazkem elektronů, a v roce 1929 ověřili možnost zobrazení jedinou magnetickou čočkou. Při zobrazování objektů v praxi vznikaly četné technické problémy. Bylo nutno získat svazky elektronů o stejné energii (monochromatické) a zkonstruovat elektrostatické a magnetické čočky s malými zobrazovacími vadami. To se Ruskovi, vedoucímu týmu vědců a techniků ve výzkumném středisku koncernu Siemens, posléze podařilo vyřešit. V roce 1931 doplnili elektronový objektiv další čočkou a ověřili tím možnost dvojstupňového zvětšení. Den provedení prvního pokusu s prototypem dvojčočkového elektronového mikroskopu - 7. duben 1931 - lze považovat za zrod elektronové mikroskopie.
Ačkoliv se nejdříve zdálo, že další německý výzkum nebude v této oblasti pokračovat pro nedostatek finančních prostředků, neboť nikdo nejevil o přístroj zájem, záhy se projevila jeho užitečnost zejména pro medicínský a biologický výzkum. Přístroj zpočátku nezvětšoval více než tehdejší mikroskopy optické (maximálně přibližně dvousetnásobně), během několika let však dosahuje Ruska takových pokroků, že dosáhne třicetitisícové zvětšení, a v kombinaci s mikroskopem optickým dokonce tehdy nevídané stotisícové.
Vědci jimi zkoumají biologické materiály (mikroorganismy a jednotlivé buňky), různá seskupení molekul, krystalové struktury kovů, vzorky biopsií, průmyslových materiálů (jakými jsou např. polovodiče a supravodiče) a vlastnosti různých povrchů, testují miniaturní elektrické obvody aj. Ruskovy publikace v oblasti elektronové optiky a elektronové mikroskopie zahrnují řadu příspěvků do monografických publikací a více než 100 původních vědeckých prací.
Kromě mnoha německých ocenění získal Dr. Ruska ve Spojených státech prestižní cenu lékařského výzkumu Alberta Laskera. Za základní práce v elektronové mikroskopii a vývoj prvního elektronového mikroskopu byl prof. Ing. diamantů. tohoto přístroje používat k vědecké práci.
Elektronovou optiku, která zrodila elektronový mikroskop, dále rozvíjeli další vědci, včetně Hans Busche a F. Wolfa; v 1933 Max Knoll a Ernst Ruska postavili první elektronový mikroskop používající sérii elektromagnetických čoček, čímž překonali omezení optických mikroskopů.
Elektronové mikroskopy s urychlovacím napětím 80 kV byly sériově vyráběny firmou Siemens od roku 1939. Jejich rozlišovací schopnost byla kolem 1 nm. Vzhledem k relativistickým efektům se při konstrukci čoček počítaly i změny způsobené rychlostí elektronů.
První obraz se obyčejně pozoruje na pomocném stínítku, a první obraz se zvětší projekční čočkou ještě několikrát. Transmisní elektronový mikroskop (TEM) se používá k prohlížení velmi tenkých řezů tkání a dosahuje rozlišovací schopnosti až 0,1 nm, přičemž pro biologické objekty bývá skutečná rozlišení kolem 2 nm. Rastrovací elektronový mikroskop (SEM) slouží k prohlížení povrchových detailů buněk a struktur.
- Elektronové paprsky vznikají v elektronové trysce se wolframovým vlákny, které jsou urychlovány napětím 40-200 kV a fokusovány na objekt.
- Vysoké zvětšení a detailní obraz vyžaduje zvládnutí monochromatických svazků a kvalitních čoček.
- Materiály pro mikroskopii zahrnují biologické a průmyslové vzorky, kde se zkoumá krystalická orientace a dislokace v krystalické mříži.
V Brněnské Vysoké škole technické v ČSSR se významně podílel i český vědec Armin Delong na vývoji TESLA BS 241 a TESLA BS 242; v EXPO 1958 byl oceněn zlatou medailí za prototyp elektronového mikroskopu. Česká elektronová mikroskopie je na vysoké úrovni dodnes. Narodil se Ernst August Ruska 25. prosince 1906 v Heidelbergu; jeho otec chtěl studium fyziky, ale on si zvolil techniku a později se věnoval elektronové optice. Nakonec u společnosti Siemens vybudoval první funkční elektronový mikroskop se dvou- čočkami a prokázal možnost zvětšení, čímž zrodil nové odvětví. V témže období Hans Busch ukázal, že rotační magnetické pole působí na svazek elektronů jako magnetická čočka, a jeho tým posunul rozvoj elektronových mikroskopů kupředu.
Stručná historie mikroskopu
tags: #elektronovy #mikroskop #ernst #ruska