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Wie funktioniert ein Elektronenmikroskop?

Ernst Ruska und Max Knoll bauten 1931 das erste typische Transmissionselektronenmikroskop (“TEM”), welches heute die gängiste Form der Elektronenmikroskope ist, wofür Ruska 1986 den Physik-Nobelpreis erhielt.
Carl_Zeiss_Elektronenmikroskop_MarburgElektronenmikroskope nutzen nicht wie gewöhnliche Mikroskope das Licht um das Objekt abzubilden und ein Bild zu erzeugen, sondern Elektronen. Damit lassen sich die Oberfläche aber auch das Innere eines Objekts abbilden, was mit einem Lichtmikroskop nicht möglich wäre.

Das liegt daran, dass die Materiewellen der Elektronen eine sehr viel geringere Wellenlänge besitzen als Licht. Wo man bei der Durchlichtmikroskopie hauchdünne Proben anfertigen muss um vernünftige Resultate zu erzielen, sind Elektronen quasi “von Haus aus” dazu in der Lage ein Material zu durchdringen und dadurch auch abzubilden.

Außerdem wird die Auflösung des entstehenden Bildes maßgeblich von der Wellenlänge des erzeugenden Mediums bestimmt. Aus diesem Grund gibt es bei Lichtmikroskopen eine, rein physikalisch begrenzte, maximale Auflösung, welche durch die beschränkte Wellenlänge von Licht nicht überschritten werden kann.

Daraus folgt indirekt auch eine Deckelung der maximal möglichen Vergrößerung von Lichtmikroskopen, da je höher die Vergrößerung wird, desto größer wird auch die benötigte Auflösung, um ein vernünftiges Bild zu gewährleisten. Ein Elektronenmikroskop kann diese Probleme durch die sehr viel kürzere Wellenlänge lösen.

Es gibt verschiedene Arten von Elektronenmikroskopen. Eine der gängigsten, und vor allem am einfachsten zu verstehende Art ist das Transmissionselektronenmikroskop, da es viele Parallelen zu einem Durchlichtmikroskop hat.

 

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Ein Elektronenmikroskop besteht aus verschiedenen Komponenten:

Geburtsstätte der Elektronen ist die so genannte Elektronenkanone. In dieser Kanone befindet sich ein glühender Draht, aus welchem Elektronen aus dem Metall austreten können. Dieser so genannte Glühelektrische Effekt tritt durch die steigende Teilchenaktivität bei hohen Temperaturen auf. Die austretenden Elektronen werden dann zu einer Anode mit bis zu 3 Megavolt beschleunigt und treten ihre Reise Richtung Materialprobe an. Die Anodenspannung bestimmt die kinetische Energie der Elektronen und wird je nach benötigter Energie angepasst.

Elektronenkanone

Elektronenkanone aus einer Kathodenstrahlröhre

Wie bei Lichtmikroskopen gibt es auch bei Elektronenmikroskopen Linsen, welche die Flugbahn der Elektronen bestimmen bzw ablenken sollen. Die Flugbahn der Elektronen ist, zum Verständnis, sehr äquivalent zu dem Strahlengang des Lichtes bei Lichtmikroskopen. Diese Linsen sind meistens magnetisch, da die Elektronen elektrisch geladen sind und somit durch Magnetismus beeinflusst werden können. Lichtstrahlen werden zum Beispiel gebrochen und ändern dadurch ihren Verlauf, Elektronen dagegen werden in eine Richtung angezogen und ändern dadurch ihre Flugbahn. Ein Vorteil dieser Elektronenlinsen ist, dass sie keine feste Brennweite wie herkömmliche Linsen aus Glas besitzen, wodurch die Schärferegulierung sehr einfach ist.

 

Erklärvideo zum Elektronenmikroskop

 

Anforderungen an ein Elektronenmikroskop 

Die Anforderungen an die Objekthalterung sind bei Elektronenmikroskopen miest höher als bei Lichtmikroskopen. Das liegt daran, dass sich die Objekte von außen variabel bewegen oder beeinflussen lassen müssen. Die Objekthalterung sollte auf der einen Seite eine stabile Lage der Probe gewährleisten, auf der anderen Seite aber auch Bewegung wie verschieben, drehen und kippen oder auch das Heizen der Probe zulassen.

Elektronenmikroskop

Milbe unter dem Elektronenmikroskop

Den Mantel eines Elektronenmikroskops bildet die Mikroskopsäule, welche das Mikroskop nach außen hin “abdichten” soll und gleichzeitig das Einwirken äußerer Einflüsse verhindert. Typischerweise dient dazu ein Metall, da Metall Elektronen extrem gut absorbiert und somit die Elektronen abgeschirmt werden.

Außerdem befindet sich das ganze System in einem Vakuum, wodurch die Elektronenkanone effizienter arbeiten kann und die Elektronen nicht durch Gasmoleküle abgelenkt oder abgebremst werden können. Somit ist eine präzise Flugbahn gewährleistet, was für das Entstehen eines soliden Bildes zwingend notwendig ist.

Zusammenfassend kann man sagen, dass das Elektronenmikroskop durch die unglaublich geringe Wellenlänge der Elektronen die Beobachtung von kleinsten Objekten, ja sogar Atomen möglich macht und somit die Anwendungen in der Forschung schier unendlich sind. Genau das ist auch das Einsatzgebiet solcher Mikroskope, da sie im Privatgebrauch nicht zu verwenden sind. Gründe dafür sind die komplizierte Benutzung, ihre extreme Größe im Vergleich zu bekannten Lichtmikroskopen, aber vor allen Dingen der immense Energieverbrauch der für das Betreiben eines solchen Geräts notwendig ist.

 

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