Mikroskop elektronowy - historia, działanie, zastosowanie

Naukowcy zajmujący się badaniem mikroświata konstruowali na początku naszego wieku coraz dokładniejsze mikroskopy optyczne. Niestety pojawił się niemożliwy do obejścia problem. Okazało się, że pomimo budowania coraz lepszych mikroskopów nie można było dokładnie zobaczyć obiektów o rozmiarach mniejszych niż kilka dziesiątych części mikrometra (mikrometr to 0,000001 metra). Jest to spowodowane jednym ze zjawisk związanych z falową naturą światła. Zjawiskiem tym jest dyfrakcja. W momencie, gdy odległości pomiędzy obserwowanymi obiektami stają się bliskie długości fali świetlnej obrazy tych obiektów zaczynają się ze sobą zlewać. Oczywiście zmniejszając długość fali padającej i odbijającej się od obserwowanych obiektów, możemy dostrzec więcej jego szczegółów. Niestety dysponując mikroskopem optycznym możemy zmniejszać długość fali tylko do pewnych granic (jak pewnie pamiętasz najkrótszym falami z przedziału widzialnego są fale związane ze światłem fioletowym). Ograniczenie to przez długi czas uniemożliwiało obserwacje bardzo małych obiektów. Było tak aż do lat 30-stych XX wieku, kiedy to skonstruowano pierwszy mikroskop elektronowy.

Jak już wiesz wszystkie cząsteczki cechują się dualną naturą. Dotyczy to oczywiście i elektronu. Z cząsteczką tą związana jest pewna fala. Jej długość zależy od prędkości elektronu - maleje wraz ze wzrostem prędkości. Możliwe jest uzyskanie elektronów, z którymi związana jest fala o kilka rzędów wielkości mniejsza od najkrótszych fal świetlnych. Wiązkę elektronów możemy wykorzystać podobnie jak wiązkę światła. Przyśpieszamy najpierw elektrony do dużych prędkości, a następnie kierujemy je na bardzo cienką próbkę badanego materiału, przez którą przechodzą. Teraz wiązka elektronów wpada w obszar pola elektromagnetycznego (jak już wiesz tory elektronów w takim polu są zmieniane). Pole to spełnia taką samą rolę jak soczewki w mikroskopie optycznym. Za obszarem pola w pewnej od niego odległości znajduje się ekran fluorescencyjny, który świeci pod wpływem padający nań elektronów. Tworzony jest na nim powiększony obraz próbki, przez którą przeszła wiązka.

Oczywiście przytoczony powyżej opis mikroskopu elektronowego jest bardzo uproszczony. Jednak daje on pewne pojęcie o tym jak działa to urządzenie. Dzisiaj przy pomocy urządzenia tego typu udaje się uzyskać obraz powiększony nawet 1 000 000 razy.

Oprócz mikroskopu elektronowego naukowcy stworzyli wiele innych skomplikowanych przyrządów służących do "podglądania" świata w skali mikro. Powstały więc mikroskopy jonowe (dzięki nim właśnie po raz pierwszy uzyskano obraz, który odpowiadał pojedynczym atomom), elektronowy mikroskop skaningowy, mikroskop tunelowy (skonstruowany dopiero na początku lat osiemdziesiątych pozwala osiągnąć rozdzielczość rzędu 0,1 nanometra - 0,0000000001 metra). Pozwalają one na coraz dokładniejsze obserwacje świata atomów i cząsteczek.
Ale właściwie po co budować coraz doskonalsze mikroskopy?

Otóż mikroskopy elektronowe znajdują szerokie zastosowanie w wielu działach nauki. W biologii umożliwiają one zbadanie i poznanie wielu organizmów, wniknięcie do komórki i poznanie licznych jej funkcji. Umożliwiły dokładne badanie najmniejszych organizmów jakimi są bakterie i wirusy. Z takich mikroskopów korzysta też technika. Umożliwiają one badanie struktury krystalicznej i jej defektów. Dzięki mikroskopom elektronowym poznajemy budowę różnych materiałów, co pozwala nam wpływać na ich własności. Współczesna elektronika opiera się w znacznej części właśnie na badaniach, przy których wykorzystuje się mikroskopy elektronowe. Używa się ich powszechnie w przemyśle elektronicznym i w innych gałęziach przemysłu nowoczesnego. Znajdują swoje zastosowanie w archeologii i badaniach historycznych. Korzysta się z nich w laboratoriach fizycznych i chemicznych. Używane są w kryminalistyce i przemyśle, w którym wymagana jest wysoka precyzja i dokładne sprawdzanie wytworzonych materiałów. Mikroskopy elektronowe zapewniają rozwój wielu dziedzin nauki, techniki i przemysłu.

Ostatnio skaningowe mikroskopy tunelowe są wykorzystywane przez naukowców do tworzenia pewnych struktur z pojedynczych atomów. Na przykład przestawiając atomy utworzono napis IBM, w którym wysokość liter wynosiła zaledwie pięć atomów. Na razie wygląda to jak zabawa. Jednak manipulowanie pojedynczymi atomami można uznać za narodziny nanoinżynierii, potężnej dziedziny nauki, dzięki której w przyszłości będzie można tworzyć nowe, niemożliwe dziś do otrzymania materiały, nowe leki, nowe miniaturowe komponenty elektroniczne, związki chemiczne, a może nawet malutkie roboty składające się z pojedynczych atomów. Możliwości, które dają mikroskopy elektronowe, są bardzo trudne do przecenienia.