Das Elektronenmikroskop
Grundlagen:
- Lichtmikroskope können ein Objekt 2000fach vergrößern.
- Ihre Auflösung entspricht der Wellenlänge des benutzten Lichts [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].
- Um die Auflösung zu verkleinern, muß [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] verkleinert werden.
aber: das für das Auge sichtbare Spektrum erstreckt sich von Rot [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] bis Violett [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].
⇒ Entscheidende Erkenntnis: alle elementaren Teilchen breiten sich wie Wellen aus. (Beachte: Wellen-Teilchen-Dualismus des Lichts)
- Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops läßt sich also erhöhen, indem man elektromagnetische Wellen kürzerer Wellenlänge bzw. höherer Frequenz f benutzt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- Max Planck (1858-1947) stellte 1900 die Hypothese auf, daß elektromagnetische Strahlung eines Körpers nur portionsweise, quantisiert, in Energieeinheiten der Größe
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
entsteht. Die Größe h wird als Plancksche
Konstante oder Wirkungsquantum bezeichnet [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].
- de Broglie führte diese Hypothese weiter:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
(→ Elektronen in einer Spannung U = 50 kV haben eine Wellenlänge [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]. Diese ist 100.000 mal kleiner als die des Lichtes.)
- 1926 entdeckte Hans Busch, daß rotationssymmetrische, magnetische Felder gleiche fokusierende Wirkung auf zueinander achsenparallele Elektronenstrahlen, gleicher Geschwindigkeit, haben, wie optische Linsen auf Lichtstrahlen. Dies trifft auch auf rotationssymmetrische, elektrische Felder zu.
- Magnetische oder elektrische Felder haben eine Brennweite, welche aber durch stetige Feldänderung stetig verändert werden kann und zur Abbildung dient. Die Brennweite ist regelbar durch die Beschleunigungsspannung und den Spulenstrom.
Dabei gelten Beziehungen zwischen Gegenstands- und Bildentfremdung und Brennweite wie bei optischen Linsen.
⇒ Vergrößerung ist möglich!
⇒Dies waren die Grundlagen für die Elektronenoptik in D (Knoll, Ruska, Brüche, Mahl, etc.) Elektronenmikroskope konnten nun analog zu den Projektions Lichtmikroskopen entworfen werden.
Das erste wurde von Ernst Ruska (1906-1988) entwickelt und bekam dafür 1986 den Nobelpreis.
Das Feldelektronenmikroskop ( Erwin Müller, ab 1937)
- U @ 4000 V
- Ultrafeine Metallspitze [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist Kathode. An der Spitze entsteht eine Feldstärke zwischen [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]→ Elektronen werden herausgesogen (Tunnel- effekt)
- Ringförmige Anode (evakuiert) mit Loch in der Mitte
- Bahn der Elektronen im angenäherten elektrischen Radialfeld erfahren starke Spreitzung
und bilden die Oberfläche des Spitzenendes [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]fach vergrößert auf Leuchtbildschirm ab.
- Keine Linse!
- Auflösungsvermögen bei 20 Angström
Feldionenmikroskop
- Spitze ist Anode
- Innenraum: Gas geringeren Drucks [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
- Oberflächenfeldstärke [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
- Die Gasmoleküle geben Elektronen an das Spitzenmetall ab [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
- Protonen folgen radialem Feld und geben auf kathodischen Leuchtschirm vergrößertes Bild der lokalen Feldstärkenverteilung an der Oberfläche der Spitze.
- Auflösungsvermögen je nach Ionen ( H, Cs, He, Hg) zwischen 3 und 15 Angström
- Die atomare Struktur (Gitter ) wird abgebildet und z.B. Kristallfehler lassen sich nachweisen.
Rasterelektronenmikroskop
- Fein fokusierter Elektronenstrahl tastet Objekt zeilenweise ab.
- Die vom einzelnen Punkt emittierten Sekundarelektronen werden registriert und zum Bild zusammengesetzt (ähnlich: Fernsehen)
Weiterentwicklung: Tunneleffekt-Rastermikroskop ( Binnig und Bohrer, 1986 NP)
- Feine Metallspitze wird rasterförmig ( Abstand d= 1nm) über Objekt geführt. Aus dem Objekt tunneln (emittieren) Elektronen durch die Lücke zwischen Oberfläche und Spitze („Tunneln“ ist das Durchdringen eines Potentialwalls).
- Der Tunnelstrom ist abhängig vom Abstand d und durch Rückkopplung mit der Nadelführung bleiben Abstand d und der Tunnelstrom konstant.
- Die für die Bewegung der Nadel verantwortliche Spannung zeichnet man über der Horizontal ebene auf und es entsteht ein dreidimensionales Rasterbild der Oberfläche.
- Besonders auszeichnen durch den plastischen Eindruck und die große Tiefenschärfe.
- Strukturen kleiner als Atome erkennbar
Durchstrahlungelektronenmikroskop
- am weitesten verbreitet
- Zu untersuchende Objekte dürfen nur 0,1 - 0,3 Mikrometer (bedingt spezieller Präparations- techniken)
- Spannung zwischen 40 bis 150 kV
- Glühkatode ist ein haarnadelförmig gebogener Wolframdraht
- Kathode (Wehnelt Zylinder) und die Anode bilden das Strahlenerzeugungssystem
- Die Elektronenstrahlen werden ein Loch in der Anode in die evakuierte Mikroskopsäule geführt und durch zwei oder mehr Magnetfelder auf das Objekt konzentriert.
- Objekt nahe Brennpunkt f = 2 mm
- bis zu 200.000fache Vergrößerung auf dem Zinksulfid Bildschirm (Durchmesser ca. 10 cm)
- Auflösung 0,1 - 0,2 Mikrometer
- Genutzt zur Abbildung von Kristallbaufehlern ( Kongrenzen, Stapelfehler, Versetzungen)
Anmerkung des Schreibers: Für ein absolut umfangreiches und exakteres Referat, fehlt die Analogie des Elektronenmikroskops zum Lichtmikroskop.
Referent: Alexander Scheerbaum
Häufig gestellte Fragen zum Das Elektronenmikroskop
Was sind die grundlegenden Einschränkungen von Lichtmikroskopen im Vergleich zu Elektronenmikroskopen?
Lichtmikroskope sind auf eine maximale Vergrößerung von etwa 2000x beschränkt, und ihre Auflösung wird durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt. Um eine höhere Auflösung zu erzielen, ist eine kürzere Wellenlänge erforderlich.
Welche Entdeckung war entscheidend für die Entwicklung des Elektronenmikroskops?
Die Erkenntnis, dass sich alle elementaren Teilchen wie Wellen ausbreiten, war entscheidend. Dies beruht auf dem Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts.
Wie funktioniert die Auflösungsverbesserung bei Elektronenmikroskopen?
Die Auflösung wird durch die Verwendung elektromagnetischer Wellen mit kürzerer Wellenlänge bzw. höherer Frequenz verbessert.
Welche Hypothese stellte Max Planck auf und welche Bedeutung hat sie?
Max Planck stellte 1900 die Hypothese auf, dass elektromagnetische Strahlung nur portionsweise, quantisiert, in Energieeinheiten der Größe entsteht. Die Größe h wird als Plancksche Konstante oder Wirkungsquantum bezeichnet.
Was besagt die Hypothese von de Broglie in Bezug auf Elektronen?
De Broglie führte die Hypothese weiter und etablierte einen Zusammenhang zwischen der Wellenlänge eines Teilchens und seinem Impuls, was die Grundlage für die Nutzung von Elektronen zur Bildgebung bildete. Elektronen, die durch eine Spannung von 50 kV beschleunigt werden, haben eine Wellenlänge, die 100.000-mal kleiner ist als die des Lichts.
Welche Entdeckung machte Hans Busch im Jahr 1926 und wie beeinflusste sie die Elektronenmikroskopie?
Hans Busch entdeckte, dass rotationssymmetrische magnetische Felder eine ähnliche fokussierende Wirkung auf achsenparallele Elektronenstrahlen gleicher Geschwindigkeit haben wie optische Linsen auf Lichtstrahlen. Dies gilt auch für rotationssymmetrische elektrische Felder, was die Grundlage für magnetische und elektrische Linsen im Elektronenmikroskop legte.
Wer entwickelte das erste Elektronenmikroskop und wann erhielt er dafür den Nobelpreis?
Ernst Ruska entwickelte das erste Elektronenmikroskop und erhielt dafür 1986 den Nobelpreis.
Wie funktioniert das Feldelektronenmikroskop?
Das Feldelektronenmikroskop verwendet eine ultrafeine Metallspitze als Kathode, an der eine hohe Feldstärke erzeugt wird, um Elektronen durch den Tunneleffekt herauszusaugen. Diese Elektronen werden durch ein ringförmige Anode mit Loch in der Mitte beschleunigt und projizieren die Oberfläche der Spitze vergrößert auf einen Leuchtbildschirm. Es verwendet keine Linsen.
Was ist der Unterschied zwischen einem Feldelektronenmikroskop und einem Feldionenmikroskop?
Beim Feldionenmikroskop ist die Spitze die Anode, und der Innenraum ist mit einem Gas gefüllt. Gasmoleküle geben Elektronen an das Spitzenmetall ab, und die resultierenden Protonen erzeugen ein vergrößertes Bild der Feldstärkenverteilung auf einem Leuchtschirm.
Wie funktioniert ein Rasterelektronenmikroskop (REM)?
Ein fein fokussierter Elektronenstrahl tastet das Objekt zeilenweise ab. Die emittierten Sekundärelektronen werden registriert und zu einem Bild zusammengesetzt.
Was ist das Prinzip des Tunneleffekt-Rastermikroskops und welche Vorteile bietet es?
Eine feine Metallspitze wird rasterförmig über das Objekt geführt, wobei Elektronen durch den Tunneleffekt durch die Lücke zwischen Oberfläche und Spitze tunneln. Der Tunnelstrom wird konstant gehalten, und die für die Bewegung der Nadel verantwortliche Spannung erzeugt ein dreidimensionales Rasterbild der Oberfläche. Es zeichnet sich besonders durch den plastischen Eindruck und die große Tiefenschärfe aus und kann Strukturen kleiner als Atome erkennen.
Wie funktioniert ein Durchstrahlungelektronenmikroskop (TEM)?
Beim TEM werden die zu untersuchenden Objekte mit Elektronen durchstrahlt. Die Elektronen werden von einer Glühkathode erzeugt und durch Magnetfelder auf das Objekt konzentriert. Das durchtretende Elektronenmuster wird auf einem Zinksulfid-Bildschirm abgebildet, wodurch Vergrößerungen bis zu 200.000fach erreicht werden können. Es wird unter anderem zur Abbildung von Kristallbaufehlern verwendet.
Welche Einschränkungen gibt es bei der Probenvorbereitung für die Durchstrahlungelektronenmikroskopie?
Die Objekte dürfen nur 0,1 - 0,3 Mikrometer dick sein, was spezielle Präparationstechniken erfordert.
- Arbeit zitieren
- Alexander Scheerbaum (Autor:in), 1999, Das Elektronenmikroskop, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/96344
