في هذه المقالة نسترجع واحدة من أهم اللحظات في تاريخ الفيزياء الحديثة، عندما قدّم الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي عام 1924 فكرته الثورية حول الطبيعة المزدوجة للمادة، والتي غيّرت مسار العلم إلى الأبد. هذه النظرية التي بُنيت على أفكار أينشتاين عن ازدواجية الضوء، فتحت الباب أمام فهم جديد تمامًا للعالم الذري ودعمت نشأة ميكانيكا الكم.
ومن هذه الفكرة انطلقت رحلة علمية طويلة انتهت باختراع واحد من أعظم أدوات العلم في القرن العشرين: المجهر الإلكتروني. جهاز مكّن العلماء لأول مرة من رؤية الذرات والجزيئات الدقيقة والبروتينات والـDNA، وفتح أبوابًا لعوالم لم يكن الإنسان يعرف بوجودها قبل ذلك.
نستعرض قصة اكتشاف المجهر الإلكتروني بين علماء ألمانيا مثل إرنست روسكا ومنافسيه، وكيف تطورت التقنية رغم تجاهل المجتمع العلمي لها في البداية، إلى أن حصل روسكا على جائزة نوبل بعد نصف قرن اعترافًا بإسهامه العظيم. كما نشرح الفرق بين المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني، ونتعرف على أنواعه مثل:
TEM – SEM – REM – Cryo-EM – STEM
ونغوص في مفهوم الطول الموجي، ولماذا لا يستطيع المجهر الضوئي رؤية الذرات بينما يستطيع المجهر الإلكتروني فعل ذلك من خلال رؤية “بالإلكترونات”، بطريقة تشبه طريقة برايل لدى المكفوفين.
محتوى شيّق لمحبي الفيزياء، ميكانيكا الكم، تبسيط العلوم، وتاريخ الاكتشافات العلمية التي غيّرت فهمنا للعالم من حولنا.
في سنة 1924 ميلادية، اتقدَّم الفيزيائي الفرنسي المجهول وقتها Louis de Broglie برسالة الدكتوراه بتاعته، والرسالة دي عملت فعلاً صدمة للمجتمع العلمي!
باختصار، de Broglie قال إن المادة، أو تحديدًا الإلكترونات، ليها طبيعة مزدوجة. المقصود بالطبيعة المزدوجة إن ليها طبيعة مادية وطبيعة موجية.
طبعًا اللي متابعنا هيكون عارف إن كلام de Broglie ده كان عبارة عن تكملة للقنبلة اللي أطلقها أينشتاين قبل فترة عن الضوء. فأينشتاين برضه قال إن الضوء، اللي يبان إنه طاقة، في حقيقته بيبقى مادة برضه لأنه بيمتلك طبيعة مزدوجة.
يعني بصورة أبسط، نقدر نقول إن كلام أينشتاين ودي برولي ده معناه إنه ماعادش في فرق بين الطاقة والمادة.
والمهم إنه من الوقت ده والعلماء من كل أنحاء الدنيا دخلوا في سباق. الجميع كان بيحاول إنه يستفيد بالأفكار الجديدة. والحقيقة إنه كان واضح إن السبق للعلماء الألمان، وواحد من أهم الحاجات الجديدة كان الميكروسكوب الإلكتروني.
فعلى بال ما وصلنا لأوائل الثلاثينات، كان العلماء الألمان بيتنافسوا مع بعض لإنتاج أنواع الميكروسكوب الإلكتروني. فالميكروسكوب الإلكتروني له فعلاً 5 أنواع بينهم اختلافات بسيطة. بصفة عامة، الخمسة أنواع مفيش فرق بينهم في التقنية ولا الوظيفة الأساسية؛ يعني الوظيفة اللي خلت العلماء يكتشفوا عوالم جديدة ما كانوش بيعرفوا يشوفوها بالمجهر الضوئي.
ومن الأسماء اللي بدأت اختراع الميكروسكوب الإلكتروني ده كانوا اثنين من الألمان: الأول هو الفيزيائي Ernst Ruska، والتاني هو الفيزيائي Manfred von Ardenne.
الأخير ده كان بيشتغل على نوعية من المجاهر الإلكترونية بتسمى مجاهر الـ (STM)، بس للأسف حظه كان وحش لأن الحرب العالمية التانية كانت بدأت قبل ما ينتهي من تقنيته. أما Ernst Ruska فهو اللي كان له السبق، وقدر إنه ينتهي قبل الحرب من بناء نسخته اللي بتسمى مجاهر الـ (TEM).
بس للأسف كان سبق Ruska ده ملوش أي صدى تقريبًا في المجتمع العلمي، يعني تقريبًا مفيش حد اهتم باختراعه. وكانت الحجة إن التكبير في النسخة الأولى دي ما كانش بيزيد عن $\times 400$، ده بالإضافة إلى إن نسخته كانت بتعاني من ما يسمى بـ الـ (Spherical Aberration)، وده باختصار عبارة عن قدر بسيط من الانحراف. وهي العيوب اللي هتتعالج مع التطويرات اللي هتحصل بعد كده، واللي هتجبر المجتمع العلمي إنه ينفذ مقولة: “أن تأتي متأخرًا خير من أن لا تأتي أبدًا”.
فبعد نص قرن تقريبًا من ظهور نسخة Ruska، رجع المجتمع العلمي واعترف بجهوده سنة 1986، بل وادوا له كمان جايزة نوبل قبل ما يموت بسنتين. والسبب طبعًا إنه مع التطويرات اللي حصلت على الميكروسكوب، اكتشف العلماء إنهم لقوا مفتاح مغارة علي بابا المليئة بكنوز عمرهم ما توقعوها. كانت الكنوز دي عبارة عن عوالم متكاملة كانت مجهولة قبل اختراع المجهر الإلكتروني، زي مثلاً: عالم الكائنات الدقيقة، والجزيئات البروتينية، وزي عالم (DNA)، وطبعًا العالم الذري. فأخيرًا قدر العلماء إنهم يشوفوا الذرة.
في الحلقة دي هنتعمق أكتر ونفهم قدرات المجهر الإلكتروني وأنواعه، وأكيد هنعرف الفرق بينه وبين المجهر الضوئي، بس أهم حاجه بقى إننا هنفهم يعني إيه أصلاً الرؤية بالإلكترونات؟
الأطوال الموجية بين الفوتونات والإلكترونات
في الحياة اللي إحنا بنعيشها دي يا صديقي، كل شيئ بلا استثناء بيبقى ليه طول موجي. يعني من أول الذرات، والجزيئات، والكائنات الحية، ولحد النجوم والمجرات. ولو كنت عايز تعرف الطول الموجي لأي شيئ حتى لو ليك أنت شخصيًا، فكل اللي عليك إنك تستخدم القانون الصغير اللي أنت شايفه ده، واللي بيقول إن الطول الموجي اللي بنعبّر عنه بـ $\lambda$، بيساوي ثابت بلانك ($h$)، مقسوم على الزخم (بمعنى كمية الحركة أو المومنتم)، واللي بنرمز له طبعًا بالحرف $p$.
بس الزخم ده معروف إن معناه كتلة الجسم مضروبة في سرعته، ولذلك فالقانون ممكن برضه تعبّر عنه كالتالي:
الطول الموجي بقى لشيئ معين بيبقى ليه فوايد كتير، اللي يهمنا منها دلوقتي إنه بيعرفني: إذا كنت أقدر أشوف بيه الأشياء ولا لأ؟
فلو جينا مثلاً للمجهر الضوئي، فمعروف إنه ما نقدرش نشوف الذرات بيه. ليه؟ ببساطة لأن الطول الموجي للذرات هو تقريبًا 1 نانومتر. أما فوتونات الضوء اللي بتطلع من المجهر الضوئي عشان تكبّر لي الحاجة اللي عايز أشوفها، فبتتراوح أطوالها الموجية بين 380 إلى 780 نانومتر تقريبًا، طبعًا على حسب نوع الضوء اللي باستخدمه. وإن شاء الله أنت مش ناسي إن الضوء المرئي عبارة عن طيف مكوّن من 7 ألوان، كل لون منهم بيبقى ليه طول موجي معين.
الفكرة بقى إنه أقصر طول موجي، اللي هو بتاع الضوء البنفسجي، هتلاقيه بيبدأ من 380 نانومتر. وبما إن الطول الموجي للذرات مش بيتجاوز الـ 1 نانومتر، يبقى عمرنا ما هنقدر نشوفها بالميكروسكوب الضوئي؛ لأن لما الطول الموجي للحاجة اللي عايز أكبّرها يكون أقصر من الطول الموجي للضوء، الضوء بينحرف وينحني حوالين الشيئ ده، وبالتالي تنعدم رؤيته.
الفرق بين المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني
من خلال الكلام اللي فات ده، إحنا نقدر نطلع باستنتاج في منتهى البساطة: لو كنا فعلاً عايزين نشوف الذرات، يبقى لازم نستخدم حاجة طولها الموجي أصغر من الطول الموجي للذرات. ومن البديهي إن الحاجة دي تكون جوه الذرة نفسها عشان تبقى أصغر منها. ومن هنا جت فكرة الميكروسكوب الإلكتروني.
فواحدة من الحاجات اللي طولها الموجي أصغر من الطول الموجي للذرة هي الإلكترونات. الإلكترونات طولها الموجي بيتراوح بين 2 إلى 3 بيكومتر، وإحنا قلنا إن الطول الموجي للذرة ككل هو 1 نانومتر.
وحدة الـ بيكو (Picometre) أصغر كتير من وحدة الـ نانو: البيكو بيعادل واحد على تريليون من المتر، بينما النانو بيعادل واحد على مليار من المتر.
والحتة دي مبدئيًا بتعرفني أول فرق جوهري بين المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني:
المجهر الضوئي: التكبير بتاعه أو الرؤية بتاعته بتعتمد على فوتونات الضوء.
أما المجهر الإلكتروني بأنواعه: فالتكبير أو الرؤية بتاعتهم بتعتمد على إلكترونات الذرة.
والفرق في التركيب ده بيؤدي كمان لفروق وظيفية بين المجهرين. عندك مثلاً المجهر الضوئي الرؤية بتاعته بتبقى بصرية حقيقية بنسبة 100%. أما المجهر الإلكتروني فبيقدّم رؤية ذهنية مطابقة للحقيقة.
طبعًا هتقول لي: وضّح الكلام ده يا عمده!
شوف يا سيدي، المجهر الضوئي تقدر تعتبره زي العدسات المكبرة اللي بنستخدمها في القراءة بس متطور شوية. يعني المجهر الضوئي بيبقى مُركّب فعلاً من مجموعة من العدسات بالإضافة لوسيلة الإنارة. فالمجهر الضوئي بيسلّط الفوتونات على العينة، وبعدين العينة بتعكس الضوء وتوجّهه للعدسات، والنتيجة إنك بتشوف بعينك الصورة الحقيقية بعد تكبيرها. يعني عينك هي الوسيط اللي بيستقبل الشغل أو التكبير بتاع المجهر الضوئي.
أما بقى المجهر الإلكتروني فالموضوع مختلف: الضوء ما بيبقاش له دخل في الموضوع، بل حتى عينك ما بتبقاش هي الوسيط المباشر. يعني المجهر الإلكتروني بيخليك تشوف في الضلمة عادي، بل إنه بيخليك تشوف من غير ما تستعمل عنيك!
الرؤية بالإلكترونات
يا ترى الأصدقاء اللي بيتفرجوا على الحلقة يعرفوا إيه هي طريقة برايل للمكفوفين؟
اللي ما يعرفش الطريقة دي فهي ببساطة طريقة بتخلي إخواننا المكفوفين قادرين على القراءة. وباختصار، الطريقة دي بتعتمد على الإحساس، وبعدين التصوير الذهني، وأخيرًا الترجمة. فالكفيف بيمرّر صوابعه على نماذج مطبوع عليها أبجدية من النقط البارزة، ومن خلال الإحساس ده بيعرف الحرف بصرف النظر عن اللغة؛ يعني الحروف العربية بيبقى ليها طريقة طباعة بارزة، والحروف غير العربية ليها برضه طريقتها. يعني الخلاصة إن الكفيف في طريقة برايل بيشوف باللمس اللي بيترجم له شكل الحروف ذهنيًا. فطريقة برايل هي تفاعل بين الشخص والعينة عن طريق اللمس باليد والترجمة بالذهن.
طبعًا مع كل التمنيات للمكفوفين وكل أصحاب الهمم، أظنك يا صديقي فهمت أنا عاوز أوصل لإيه؟ أنا كنت بوضّح لك إن الرؤية مش لازم دايمًا تكون مباشرة بالعين.
والفكرة دي هي اللي بتعتمد عليها فكرة الرؤية بالإلكترونات. فالإلكترونات بالنسبة لنا بتمثل إيد الكفيف اللي بتدلّه على الشكل. في الميكروسكوب الإلكتروني، التفاعل مع العينة بيكون عن طريق الاصطدام بالإلكترونات. وشعاع الإلكترونات اللي بنسلّطه على العينة بيظهر لنا آثار على هيئة شفرة، زي بالظبط الشفرة بتاعة طريقة برايل.
في طريقة برايل، العقل بيحوّل شفرة النقط لأسلوب النطق المطلوب. أما في المجهر الإلكتروني، فآثار الإلكترونات بيحوّلها الكمبيوتر لصورة مرئية. وبالمناسبة، الكمبيوتر كان من أهم عوامل الإحساس بقيمة المجهر الإلكتروني. فقبل استخدام الكمبيوتر، العلماء كانوا بيستعينوا بحاجة بتسمى الكاشف (Detector). كان موضوع بدائي شوية، عبارة عن أنابيب إلكترونية لتجميع الإشارات وإظهارها على شاشة فسفورية مضيئة، قصة يعني بتتشابه مع فكرة إظهار الصورة على التليفزيونات القديمة. لكن بعد انتشار الكمبيوتر، بقى هو اللي بيترجم الإشارات ويعرض الصورة. ولذلك، المجهر الإلكتروني بيخليك فعلاً تَشُوف بالإلكترونات، وفعلاً كان لازم يبقى اسمه المجهر الإلكتروني، زي ما المجهر الضوئي اسمه ضوئي عشان بيعتمد على فوتونات الضوء.
أنواع المجهر الإلكتروني
بالنسبة بقى لأنواع المجهر الإلكتروني، فهمه خمسة زي ما قلنا.
أهم الأنواع الخمسة دول وأقدمهم في الظهور هي مجاهر Ruska و von Ardenne:
مجهر الـ (TEM):
ده اختصار لجملة Transmission Electron Microscope.
بيترجموها بالعربي لـ المجهر الإلكتروني النافذ.
وكلمة النافذ دي بتدل على إن الإلكترونات بتخترق العينة وتشوف جواها، حاجة كده زي الأشعة السينية (X-ray) اللي بتشوف جوه الجسم.
مجهر الـ (SEM):
واللي كان شغال عليه Manfred von Ardenne.
ده اختصار لـ Scanning Electron Microscope.
والترجمة بالعربي هي المجهر الإلكتروني الماسح.
وكلمة الماسح دي بتدل على تركيز الإلكترونات على تفاصيل العينة السطحية، يعني النوع ده زي فكرة الـ (Scanner) أو الماسح الضوئي.
بس عايزك تخلي بالك إن المجهر الإلكتروني الماسح ده بيبقى فيه نسبة اختراق للعينة بالإلكترونات، صحيح لا تُقارَن مع نسبة الاختراق في المجهر النافذ، لكن في النهاية ما أقدرش أقول إن مفيش اختراق على الإطلاق.
مجهر الـ (REM):
لأن لو الإلكترونات بتنعكس تمامًا من سطح العينة، يبقى إحنا كده وصلنا لتالت نوع من المجاهر الإلكترونية.
النوع اللي بيسمى مجهر الـ (REM)، وده اختصار لـ Reflection Electron Microscope.
يعني المجهر الإلكتروني العاكس أو المنعكس.
وباختصار، المجهر ده بيستخدم تقنية بتحسّس تقريبًا على العينة؛ يعني أقل قدر من الإلكترونات وأقل قدر من الطاقة مع الاهتمام بالسرعة عشان الإلكترونات ما تخترقش العينة.
وده بيكون عن طريق ضرب العينة بشعاع إلكتروني بـزاوية مايلة جدًا بتكون زاوية حرجة. والميل ده بيخلي الإلكترونات تنعكس من غير ما تخترق.
والتقنية دي اخترعوها مخصوص للعينات الحساسة اللي بتبوظ من اصطدام الإلكترونات بيها.
مجهر الـ (Cryo-EM):
وبنفس فكرة مراعاة نوع العينة عندنا برضه نوع خاص هو النوع الرابع.
والنوع ده صمموه مخصوص عشان العينات اللي مش بتستحمل إجراء التجارب عليها من غير التبريد.
ولذلك، النوع ده من المجاهر الإلكترونية بيسمى مجهر الـ (Cryo-EM)، اختصار لـ Cryo-Electron Microscopy، يعني ببساطة المجهر الإلكتروني فائق التبريد.
مجهر الـ (STEM):
أما بقى النوع الخامس فكان مجرد دمج وتطوير للنوعين الأول والتاني؛ يعني النوعين اللي اسمهم TEM و SEM.
ولذلك، النوع الخامس ده بيسمى مجهر الـ (STEM)، اختصار لـ Scanning Transmission Electron Microscope.
ودي بيترجموها لـ المجهر الإلكتروني النافذ الماسح.
يعني هو مجهر إلكتروني بيجمع بين مميزات النوعين: النوع اللي بيعتمد على نفاذ الإلكترونات من العينة، والنوع اللي بيعتمد على المسح السطحي ليها.
يعني زي ما أنت شايف كل الأنواع فكرتها الأساسية واحدة، لكن كلهم برضه بيختلفوا تمامًا عن فكرة المجهر الضوئي. فالمجاهر الإلكترونية نقلت العلم نقلة ضخمة وكبّرت العينة لـ اثنين مليون مرة، بعد ما كان بيقتصر التكبير على ألفين مرة بالمجهر الضوئي، ده غير تضاعف الدقة أو الـ (Resolution) مئات المرات في المجهر الإلكتروني عن الضوئي.
يا ترى مين فيكوا شاف أي نوع من المجاهر الإلكترونية قبل كده في المدرسة أو الجامعة؟ أنا بأسأل السؤال ده عشان لعل وعسى كمان صوتي يوصل للمسئولين، ففعلاً لازم يكون المجهر الإلكتروني موجود في كل مؤسسة تعليمية.
