Ein Elektronenmikroskop ist ein spezielles Mikroskop, das anstelle von Licht gebündelte, durch Hochspannung beschleunigte Elektronen im Vakuum zur Abbildung und starken Vergrößerung kleinster Objekte verwendet.
Die technischen Voraussetzungen zur Entwicklung des Elektronenmikroskops wurden prinzipiell bereits Mitte der zwanziger Jahre des 20. Jahrhunderts erfüllt: Damals wurde entdeckt, dass die Wellenlänge von bewegten Elektronen in einem elektrischen Feld sehr viel kleiner ist als die der Lichtstrahlen (vgl. „technische Vorteile des Elektronenmikroskops gegenüber dem Lichtmikroskop“). In den frühen 30er Jahren gelingt Max Knoll und Ernst Ruska nach langer Forschungsarbeit der Bau des ersten Transmissionselektronenmikroskops. Ernst Ruska erhielt dafür 1986 den Nobelpreis. Nur zwei Jahre nach der Entwicklung des ersten Elektronenmikroskops übertrifft es erstmalig die Auflösung eines Lichtmikroskops. Spätestens ab diesem Zeitpunkt wurden sich die Forscher der immensen Bedeutung dieser Erfindung bewusst. Das erste Rasterelektronenmikroskop wurde 1942 von einem amerikanischen Forscherteam entwickelt, erste Theorien wurden aber von Forschern bereits in den 30er Jahren veröffentlicht.
INHALTSVERZEICHNIS
Definition des Elektronenmikroskops
Geschichte der Elektronenmikroskopie
Technische Vorteile des Elektronenmikroskops gegenüber dem Lichtmikroskop
sonstige Vor- und Nachteile des Elektronenmikroskops gegenüber dem Lichtmikroskop
Merkmale des Elektronenmikroskops
Aufbau des Transmissionselektronenmikroskops
Aufbau des Rasterelektronenmikroskops
Bedeutung des Elektronenmikroskops
Definition
Ein Elektronenmikroskop ist ein spezielles Mikroskop, das anstelle von Licht gebündelte, durch Hochspannung beschleunigte Elektronen im Vakuum zur Abbildung und starken Vergrößerung kleinster Objekte verwendet.
Geschichte
Die technischen Voraussetzungen zur Entwicklung des Elektronenmikroskops wurden prinzipiell bereits Mitte der zwanziger Jahre des 20. Jahrhunderts erfüllt: Damals wurde entdeckt, dass die Wellenlänge von bewegten Elektronen in einem elektrischen Feld sehr viel kleiner ist als die der Lichtstrahlen (vgl. „technische Vorteile des Elektronenmikroskops gegenüber dem Lichtmikroskop“). In den frühen 30er Jahren gelingt Max Knoll und Ernst Ruska nach langer Forschungsarbeit der Bau des ersten Transmissionselektronenmikroskops. Ernst Ruska erhielt dafür 1986 den Nobelpreis. Nur zwei Jahre nach der Entwicklung des ersten Elektronenmikroskops übertrifft es erstmalig die Auflösung eines Lichtmikroskops. Spätestens ab diesem Zeitpunkt wurden sich die Forscher der immensen Bedeutung dieser Erfindung bewusst. Das erste Rasterelektronenmikroskop wurde 1942 von einem amerikanischen Forscherteam entwickelt, erste Theorien wurden aber von Forschern bereits in den 30er Jahren veröffentlicht.
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Erstes kommerzielles Elektronenmikroskop von Siemens
Technische Vorteile des Elektronenmikroskops gegenüber dem Lichtmikroskop
Die Wellenlänge des für Menschen sichtbaren Lichts liegt etwa zwischen 390 und 760 nm. Daraus folgt, dass Objektpunkte von geringerem Abstand als ca. 800 nm (in der Praxis 1000 nm = 1 µm und mehr) nicht mehr getrennt voneinander wahrgenommen werden können. Insbesondere in der Teilchenphysik wäre dies jedoch wünschenswert um in der Lage zu sein, einzelne atomare Strukturen zu erkennen.
Die Wellenlänge von bewegten Elektronen, wie sie im Elektronenmikroskop verwendet werden, lässt sich durch eine Folgerung Prinz Louis DeBroglies aus der Theorie des Planckschen Wirkungsquantums berechnen:
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Erläuterung:
- Lambda entspricht hier der Wellenlänge der bewegten Elektronen
- h entspricht der Planck-Konstanten (6,6218 * 10-34 Js)
- p entspricht dem Impuls der Elektronen (= m*v)
DeBroglie ging davon aus, dass auch bewegte Elektronen sich wie Lichtquanten wellenförmig ausbreiten, weshalb er die Theorie des Planckschen Wirkungsquantums zunächst spekulativ im Jahre 1924 auch darauf ausweitete. Dies wurde 1927 von Davisson und Germer bewiesen.
Die Geschwindigkeit der aus der Kathode austretenden Teilchen hängt von der gewählten Anodenspannung ab:
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Wählt man beispielsweise als Spannung U = 1000 V, so ergibt sich für die Geschwindigkeit der Elektronen
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Damit erhält man nach der Formel von DeBroglie die Wellenlänge:
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Dies entspricht 0,0387 nm und damit etwa einem Zehntausendstel der Wellenlänge des Lichts. Durch Erhöhung der Anodenspannung kann die Wellenlänge sogar noch niedrigere Werte annehmen. Dadurch können bereits atomare Strukturen betrachtet werden. In der Praxis wird jedoch im Normalfall nur eine maximale Vergrößerung des Faktors 300000 erreicht.
sonstige Vor- und Nachteile des Elektronenmikroskops gegenüber dem Lichtmikroskop
Neben dem offensichtlichsten Vorteil des Elektronenmikroskops, der enormen Vergrößerung, bietet das Elektronenmikroskop auch eine wesentlich bessere plastische Abbildung. Die Objekte müssen jedoch sehr aufwendig präpariert werden. So darf das Objekt bei der Betrachtung in einem Transmissionselektronenmikroskop nur wenige Atomschichten dick sein. Zudem muss biologischen Proben das Wasser entzogen werden und es müssen spezielle Chemikalien hinzugefügt werden. Außerdem herrscht in Elektronenmikroskopen ein Hochvakuum. All diese Voraussetzungen machen es unmöglich, lebende Organismen zu beobachten.
Ein weiterer Nachteil von Elektronenmikroskopen ist die Tatsache, dass durch die Verwendung von bewegten Elektronen keine Farben zu erkennen sind. Deshalb werden die Vergrößerungen oft nachbearbeitet und gefärbt, damit einzelne Strukturen und Bestandteile deutlich zu erkennen sind.
Merkmale des Elektronenmikroskops
Die zwei wichtigsten Arten von Elektronenmikroskopen sind die sogenannten Transmissionselektronenmikroskope (TEM, wird oft auch als Durchstrahlelektronenmikroskop bezeichnet) und Rasterelektronenmikroskope (REM). Diese haben im gegenseitigen Vergleich sowie im Vergleich zum Lichtmikroskop sowohl Vor- als auch Nachteile. Oft erhält man das beste Ergebnis indem man mehrere Methoden (z.B. Verwendung von Lichtmikroskop und Rasterelektronenmikroskop) miteinander verbindet.
Aufbau des Transmissionselektronenmikroskops (TEM):
Das Transmissionselektronenmikroskop ist im Aufbau einem Lichtmikroskop nachempfunden. Anstelle einer Glühbirne wird eine Elektronenquelle verwendet, zur Abbildung verwendet man Magnetspulen, die Elektronenstrahlen ähnlich bündeln wie Glaslinsen Lichtstrahlen bündeln. Das stark vergrößerte Bild entsteht dann auf einem Leuchtschirm und kann direkt betrachtet sowie zusätzlich mit einer Fotoplatte aufgenommen werden. Die verwendeten Proben werden vom Elektronenstrahl durchstrahlt, wobei keine wesentliche Absorption auftreten darf. Deshalb müssen die Proben extrem dünn sein (max. 1 µm), meistens ist eine aufwendige Präparation des Objekts nötig um akzeptable Ergebnisse zu erreichen.
Die aus der Katode austretenden Elektronen werden durch einen Wehnelt-Zylinder gebündelt und durch die ringförmige Anode auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Durch eine höhere Spannung am Wehnelt-Zylinder erreicht man einen stärkeren Elektronenstrahl wodurch eine höhere Bildhelligkeit, aber auch eine höhere Strahlenbelastung des Objekts erzielt wird. Die Geschwindigkeit der Elektronen muss konstant bleiben damit deren Wellenlänge nicht variiert. Die verwendeten sogenannten magnetischen Linsen entsprechen in ihrer Wirkung exakt den Linsen optischer Mikroskope, sie haben jedoch eine vollkommen andere Funktionsweise: Man richtet zwei mit Eisen ummantelte Spulen nah beieinander aus und lässt den Elektronenstrahl dazwischen durchfließen. Dadurch wird aufgrund der Lorentzkraft eine erhebliche Vergrößerung erreicht. Diese magnetischen Linsen weisen jedoch wie auch die Glaslinsen sogenannte Linsenfehler auf, die jedoch nicht behoben werden können. Durch verschiedene qualitative Maßnahmen wie beispielsweise die Sicherstellung einer extrem stabilen Anodenspannung sowie Spulenspannung kann dieser Effekt jedoch ausgeglichen und minimiert werden. Trotzdem wird bei heutigen Transmissionslektronenmikroskopen nur eine Vergrößerung des Faktors 200000-300000 erreicht, obwohl durch die Verwendung von bewegten Elektronen theoretisch eine sehr viel stärkere Vergrößerung möglich wäre (vgl. technische Vorteile des Elektronenmikroskops gegenüber dem Lichtmikroskop).
Die durch die zentrale Anodenöffnung austretenden Elektronen gelangen in eine erste magnetische Linse, die Kondensorspule, durch die eine weitere Bündelung erfolgt. Durch Veränderung der Brennweite dieser Linse kann die Bündelung der Elektronen variiert und damit wie durch den Wehnelt-Zylinder sowohl Bildhelligkeit als auch Strahlenbelastung beeinflusst werden.
Im weiteren Verlauf durchdringen die Elektronen das Präparat, von dem durch die Objektivspule ein erstes vergrößertes Zwischenbild entworfen wird. Durch die Projektionsspule wird das Bild weiter vergrößert und auf dem Leuchtschirm scharf abgebildet.
Aufbau des Rasterelektronenmikroskops (REM):
Bei den Rasterelektronenmikroskopen wird wie bei den Transmissionselektronen- mikroskopen ein Elektronenstrahl erzeugt und mit magnetischen Linsen abgelenkt und gebündelt. Der Unterschied besteht darin, dass die Probe nicht durchstrahlt wird, sondern die Oberfläche Punkt für Punkt, Zeile für Zeile von dem gebündelten Elektronenstrahl abgetastet wird. Durch das Auftreffen des Elektronenstrahls werden die Atome in der Probe angeregt. Die dadurch austretenden Signale werden punktweise gesammelt, verstärkt und auf einen Bildschirm geleitet. So entsteht ein Abbild der Oberflächenstruktur des zu untersuchenden Objektes. Diese Technik bietet den Vorteil, große Objektbereiche scharf abzubilden. Dadurch entsteht ein plastischer, dreidimensionaler Eindruck. Die maximal erreichte Vergrößerung liegt bisher jedoch bei maximal 100000, da die Empfindlichkeit der Bestandteile, vor allem des Szintillators, sehr viel höher sein muss als beim Transmissionselektronen- mikroskop
Bedeutung des Elektronenmikroskops
Das Elektronenmikroskop wird in der Physik, in der Chemie und auch in der Biologie als wichtiges Forschungsinstrument benutzt und ohne das Elektronenmikroskop wären viele Erkenntnisse unserer heutigen Zeit erst sehr viel später entdeckt oder bewiesen worden. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Theorie des Atommodells von Ernest Rutherford, die im Jahr 1911 – nur 20 Jahre vor der Entwicklung des ersten Elektronenmikroskops – aufgestellt wurde. Wenige Jahrzehnte später konnte dieses Atommodell bereits konkret durch Betrachtung von atomaren Strukturen mit Hilfe des Elektronenmikroskops mit kleinen Korrekturen anerkannt werden.
In der Biologie, vor allem im Teilbereich Cytologie, kam es ebenfalls zu bahnbrechenden Entdeckungen: Für das Lichtmikroskop nicht sichtbare Bestandteile von tierischen und pflanzlichen Zellen wurden ausfindig gemacht und auf ihre Funktion untersucht. So wurden beispielsweise die Ribosomen entdeckt, die eine wichtige Rolle bei der Proteinbiosynthese spielen. Diese Zellorganellen waren vor der Einführung des Elektronenmikroskops völlig unbekannt.
Bildmaterial
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Ansicht eines Facettenauges Ansicht eines Zahnes mit Karies
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Ansicht der Struktur einer Flechte
Die hier gezeigten Bilder wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen, die dreidimensionale Struktur ist sehr deutlich zu erkennen.
Quellen:
- Kuchling, Horst, „Taschenbuch der Physik“, Fachbuchverlag Leipzig-Köln, 1995
- Paturi, Felix, „Schlüsseldaten Entdeckungen und Erfindungen“, Harenberg Lexikon Verlag, 1998
- Heimendahl, M. v., „Einführung in die Elektronenmikroskopie“, Vieweg, 1970
- http://www.deutsches-museum.de/ausstell/dauer/physik/physik23.htm
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein Elektronenmikroskop?
Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, das Elektronen anstelle von Licht verwendet, um sehr kleine Objekte zu vergrößern und abzubilden. Die Elektronen werden im Vakuum gebündelt und durch Hochspannung beschleunigt.
Wie hat sich die Elektronenmikroskopie entwickelt?
Die Grundlagen für das Elektronenmikroskop wurden in den 1920er Jahren gelegt, als entdeckt wurde, dass die Wellenlänge von bewegten Elektronen viel kleiner ist als die von Licht. Max Knoll und Ernst Ruska bauten in den frühen 1930er Jahren das erste Transmissionselektronenmikroskop. Ruska erhielt dafür 1986 den Nobelpreis. Das erste Rasterelektronenmikroskop wurde 1942 entwickelt.
Welche technischen Vorteile hat das Elektronenmikroskop gegenüber dem Lichtmikroskop?
Der Hauptvorteil ist die viel kleinere Wellenlänge von Elektronen im Vergleich zu Licht, was eine viel höhere Auflösung ermöglicht. Dadurch können atomare Strukturen betrachtet werden. In der Praxis erreicht man eine Vergrößerung von bis zu 300.000-fach.
Welche weiteren Vor- und Nachteile hat das Elektronenmikroskop?
Vorteile: Enorme Vergrößerung, bessere plastische Abbildung. Nachteile: Aufwendige Probenpräparation (sehr dünne Objekte, Wasserentzug bei biologischen Proben), kein lebendes Material beobachtbar, keine Farben (Bilder werden oft nachbearbeitet und gefärbt).
Welche Arten von Elektronenmikroskopen gibt es?
Die wichtigsten Arten sind das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und das Rasterelektronenmikroskop (REM).
Wie ist ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) aufgebaut?
Das TEM ähnelt einem Lichtmikroskop, verwendet aber eine Elektronenquelle und Magnetspulen zur Bündelung der Elektronen. Die Probe wird vom Elektronenstrahl durchstrahlt, weshalb sie sehr dünn sein muss.
Wie ist ein Rasterelektronenmikroskop (REM) aufgebaut?
Beim REM wird die Oberfläche der Probe Punkt für Punkt mit einem Elektronenstrahl abgetastet. Die austretenden Signale werden gesammelt und zu einem Bild der Oberflächenstruktur zusammengesetzt. Dies erzeugt einen dreidimensionalen Eindruck.
Welche Bedeutung hat das Elektronenmikroskop?
Das Elektronenmikroskop ist ein wichtiges Forschungsinstrument in Physik, Chemie und Biologie. Es hat zur Entdeckung und zum Beweis vieler Erkenntnisse beigetragen, z.B. bei der Bestätigung des Atommodells und bei der Erforschung von Zellbestandteilen wie Ribosomen.
Wo finde ich die Quellen für diesen Text?
Die Quellen sind:
- Kuchling, Horst, „Taschenbuch der Physik“, Fachbuchverlag Leipzig-Köln, 1995
- Paturi, Felix, „Schlüsseldaten Entdeckungen und Erfindungen“, Harenberg Lexikon Verlag, 1998
- Heimendahl, M. v., „Einführung in die Elektronenmikroskopie“, Vieweg, 1970
- http://www.deutsches-museum.de/ausstell/dauer/physik/physik23.htm
- http://www.uni-ulm.de/elektronenmikroskopie/TEMHerbst2001.html
- Quote paper
- Florian Steinhauser (Author), 2003, Das Elektronenmikroskop - Elektronenmikroskopie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/108091
