Чому електронний мікроскоп дає більше збільшення ніж світлові

0 Comments

Знайомство з електронним мікроскопом

Звичайний тип мікроскопа, який ви можете знайти в класі або науковій лабораторії, – це оптичний мікроскоп. Оптичний мікроскоп використовує світло для збільшення зображення до 2000 разів (зазвичай набагато менше) і має роздільну здатність близько 200 нанометрів. Електронний мікроскоп, з іншого боку, використовує пучок електронів, а не світло для формування зображення. Збільшення електронного мікроскопа може досягати 10 000 000x із роздільною здатністю 50 пікометрів (0,05 нанометрів).

Збільшення електронного мікроскопа

Firefly Productions / Getty Images

Переваги використання електронного мікроскопа перед оптичним мікроскопом полягають у значно більшому збільшенні та роздільній здатності. Недоліки включають вартість і розмір обладнання, вимогу спеціального навчання для підготовки зразків для мікроскопії та використання мікроскопа, а також необхідність перегляду зразків у вакуумі (хоча деякі зволожені зразки можуть використовуватися).

Найпростіший спосіб зрозуміти, як працює електронний мікроскоп, це порівняти його зі звичайним світловим мікроскопом. В оптичний мікроскоп ви дивитесь через окуляр і лінзу, щоб побачити збільшене зображення зразка. Оптична установка мікроскопа складається із зразка, лінз, джерела світла та зображення, яке ви можете бачити.

В електронному мікроскопі пучок електронів займає місце пучка світла. Зразок необхідно спеціально підготувати, щоб електрони могли з ним взаємодіяти. Повітря всередині камери для зразків викачується, щоб утворити вакуум, оскільки електрони не подорожують далеко в газі. Замість лінз електромагнітні котушки фокусують пучок електронів. Електромагніти згинають електронний промінь приблизно так само, як лінзи згинають світло. Зображення створюється електронами , тому його переглядають або фотографуючи (електронна мікрофотографія), або переглядаючи зразок через монітор.

Існує три основних типи електронної мікроскопії, які відрізняються залежно від способу формування зображення, способу підготовки зразка та роздільної здатності зображення. Це просвічуюча електронна мікроскопія (ТЕМ), скануюча електронна мікроскопія (СЕМ) і скануюча тунельна мікроскопія (СТМ).

Трансмісійний електронний мікроскоп (ТЕМ)

Першими електронними мікроскопами, які були винайдені, були трансмісійні електронні мікроскопи. У ТЕМ промінь електронів високої напруги частково пропускається через дуже тонкий зразок для формування зображення на фотопластинці, датчику або флуоресцентному екрані. Зображення, яке формується, є двовимірним і чорно-білим, щось на зразок рентгенівського знімка . Перевага техніки полягає в тому, що вона здатна до дуже високого збільшення та роздільної здатності (приблизно на порядок краща, ніж SEM). Ключовим недоліком є ​​те, що він найкраще працює з дуже тонкими зразками.

скануючий електронний мікроскоп (SEM)

avid_creative / Getty Images

У скануючій електронній мікроскопії пучок електронів сканується по поверхні зразка у растровому візерунку. Зображення формується вторинними електронами, що вилітають з поверхні, коли вони збуджуються електронним пучком. Детектор картує електронні сигнали, формуючи зображення, яке показує глибину різкості на додаток до структури поверхні. Хоча роздільна здатність нижча, ніж у TEM, SEM пропонує дві великі переваги. По-перше, він формує тривимірне зображення зразка. По-друге, його можна використовувати на більш товстих зразках, оскільки сканується лише поверхня.

І в TEM, і в SEM важливо розуміти, що зображення не обов’язково є точним відображенням зразка. Зразок може зазнати змін у зв’язку з його підготовкою до мікроскопа , впливом вакууму чи впливу електронного променя.

Скануючий тунельний мікроскоп (СТМ)

Musée d’histoire des sciences de la Ville de Genève / Wikimedia Commons / CC BY 3.0

Скануючий тунельний мікроскоп (СТМ) зображує поверхні на атомному рівні. Це єдиний вид електронної мікроскопії, який може зображати окремі атоми . Його роздільна здатність становить близько 0,1 нанометра, а глибина — близько 0,01 нанометра. СТМ можна використовувати не тільки у вакуумі, а й у повітрі, воді та інших газах і рідинах. Його можна використовувати в широкому діапазоні температур, від майже абсолютного нуля до понад 1000 градусів C.

STM базується на квантовому тунелюванні. Електропровідний наконечник підносять до поверхні зразка. Коли прикладається різниця напруг, електрони можуть тунелювати між наконечником і зразком. Зміна струму кінчика вимірюється під час його сканування по зразку для формування зображення. На відміну від інших видів електронної мікроскопії, інструмент доступний і простий у виготовленні. Однак для STM потрібні надзвичайно чисті зразки, і змусити його працювати може бути складно.

Розробка скануючого тунельного мікроскопа принесла Герду Біннігу та Генріху Рореру Нобелівську премію з фізики 1986 року.

Чому електронний мікроскоп дає більше збільшення ніж світлові

Відеоролик: Микроскопия. Как пользоваться световым микроскопом. Лекция из курса “Биология как наука”

Зміст

Основна різниця – світловий мікроскоп проти електронного мікроскопа

Обидва мікроскопи (оптичні мікроскопи) та електронні мікроскопи використовуються для перегляду дуже малих об’єктів. The Основна відмінність між світловим мікроскопом і електронним мікроскопом є те світлові мікроскопи використовують промені світла для освітлення об’єкта під час розгляду Електронний мікроскоп використовує пучки електронів для освітлення об’єкта.

Що таке світловий мікроскоп

Світлові мікроскопи висвітлюють свій зразок за допомогою видимого світла і використовують лінзи для отримання збільшеного зображення. Світлові мікроскопи бувають двох різновидів:однолічі із’єднання. У мікроскопах з однією лінзою для збільшення об’єкта використовується один об’єктив, тоді як об’єктиви використовують дві лінзи. Використанняоб’єктив, реальне, перевернуте і збільшене зображення зразка виробляється всередині мікроскопа, а потім за допомогою другої лінзи називаєтьсяокуляр, зображення, що утворюється об’єктивом, збільшується ще більше.

Зображення листа моху (Rhizomnium punctatum) під світловим мікроскопом (x400). Порівняйте розмір цих хлоропластів (зелених крапель) з більш детальною версією (з іншого зразка), взятої з електронного мікроскопа нижче.

Що таке електронний мікроскоп

Електронні мікроскопи висвітлюють свій зразок за допомогою пучка електронів. Магнітні поля використовуються для згинання пучків електронів, так само, як оптичні лінзи використовуються для згинання променів світла в світлових мікроскопах. Широко використовуються два типи електронних мікроскопів:просвічуючий електронний мікроскоп (ТЕМ) іскануючий електронний мікроскоп (SEM). У трансмісійних електронних мікроскопах проходить електронний пучокчерез зразок. Об’єктив «об’єктив» (який дійсно є магнітом) використовується для першого створення зображення, а за допомогою проекційного «об’єктива» збільшене зображення може бути зроблено на флуоресцентному екрані. У скануючих електронних мікроскопах пучок електронів обпалюється на зразку, що призводить до вивільнення вторинних електронів з поверхні зразка. Використовуючи анод, ці поверхневі електрони можуть бути зібрані, а поверхня може бути “нанесена”.

Як правило, роздільна здатність зображень SEM не настільки висока, як у ТЕМ. Однак, оскільки електронів не потрібно проходити через зразок в SEM, вони можуть бути використані для дослідження більш товстого зразка. Крім того, зображення, отримані SEM, виявляють більшу глибину деталей поверхні.

TEM Зображення хлоропласта (x12000)

Зображення SEM пилку з різних рослин (x500). Зверніть увагу на деталі глибини.

Роздільна здатність

Theдозвіл зображення описує здатність розрізняти дві різні точки зображення. Зображення з більш високою роздільною здатністю є більш чітким і більш докладним. Оскільки світлові хвилі піддаються дифракції, здатність розрізняти дві точки на об’єкті тісно пов’язана з довжиною хвилі світла, що використовується для перегляду об’єкта. Це пояснюється вКритерій Релея. Хвиля також не може розкрити деталі з просторовим розділенням, меншим за довжину хвилі. Це означає, що чим менше довжина хвилі для перегляду об’єкта, тим більш чітким є зображення.

Електронні мікроскопи використовують хвильову природу електронів. The Довжина хвилі deBroglie (тобто довжина хвилі, пов’язаної з електроном) для електронів, прискорених до типових напруг, що використовуються в ТЕМ, становить близько 0,01 нм, тоді як видиме світло має довжини хвиль між 400-700 нм. Зрозуміло, що електронні промені здатні виявити набагато більше деталей, ніж промені видимого світла. Насправді, дозвіл ТЕМ має тенденцію бути порядку 0,1 нм, а не 0,01 нм внаслідок впливу магнітного поля, але дозвіл все ще приблизно в 100 разів краще, ніж роздільна здатність світлового мікроскопа. Роздільна здатність SEM трохи нижче, порядку 10 нм.

Різниця між світловим мікроскопом і електронним мікроскопом

Джерело освітлення

Світловий мікроскоп використовує пучки видимого світла (довжина хвилі 400-700 нм) для освітлення зразка.

Електронний мікроскоп використовує електронні пучки (довжина хвилі ~ 0.01 нм) для освітлення зразка.

Техніка збільшення

Світловий мікроскопвикористовує оптичні лінзи для згинання променів світла і збільшення зображень.

Електронний мікроскоп використовує магніти для згинання променів електронів і збільшення зображень.

Роздільна здатність

Світловий мікроскоп має більш низьку роздільну здатність порівняно з електронними мікроскопами, близько 200 нм.

Електронний мікроскоп можуть мати дозвіл порядку 0,1 нм.

Збільшення

Світлові мікроскопи може мати збільшення приблизно ~ × 1000.

Електронні мікроскопи може мати збільшення до ~ 500000 (SEM).

Операція

Світловий мікроскоп не обов’язково потрібен джерело електроенергії для роботи.

Електронний мікроскоп вимагає електрики для прискорення електронів. Вона також вимагає розміщення зразків у вакуумі (інакше електрони можуть розсіювати молекули повітря), на відміну від світлових мікроскопів.

Ціна

Світловий мікроскоп набагато дешевше в порівнянні з електронними мікроскопами.

Електронний мікроскоп порівняно дорожче.

Розмір

Світловий мікроскоп є невеликий і може використовуватися на робочому столі.

Електронний мікроскоп досить великий, і може бути таким же високим, як і людина.

Список літератури

Young, H. D., & Freedman, R. A. (2012). Фізика університету Сіарса і Земманського: з сучасною фізикою. Аддісон-Уеслі.

Зображення надано

“Punktiertes Wurzelsternmoos (Rhizomnium punctatum), Laminazellen, 400x vergrößert ”Крістіана Петерса – Фабелфрох (фотограф Крістіан Петерс) [