Sexl Physik 7, Schulbuch

2.9 Optik mit Elektronen: Elektronenmikroskopie Im Kapitel Optik wurde das Auflösungsvermögen von optischen Instrumenten be- sprochen. Zwei Licht aussendende Punkte eines Objekts können getrennt wahrge- nommen werden, wenn ihre Beugungsscheibchen unterscheidbar sind, d. h. min- destens durch das 1. Beugungsminimum getrennt sind. Der entsprechende Beugungswinkel α ist bei einer Objektgröße d durch sin α = λ / d gegeben. Bei einem Mikroskop begrenzt die Größe der Objektivlinse den Winkel α . Er muss kleiner als der Öffnungswinkel u sein, unter dem der Objektivradius vom Objekt aus erscheint. Das Objekt befindet sich praktisch im Abstand einer Brennweite f vor dem Objektiv, daher ist u = r / f , der Quotient aus Objektivradius r und Brennwei- te f . ( u heißt Öffnungsverhältnis oder numerische Apertur und ist der Kehrwert der aus der Fotografie bekannten Blendenzahl.) Der kleinste Abstand d , der mit Hilfe eines Mikroskops aufgelöst werden kann, be- trägt daher größenordnungsmäßig d ≈ λ /sin u . Je kleiner die Wellenlänge ist, desto kleinere Strukturen lassen sich also unter- scheiden. Mit Röntgenstrahlen ( λ ≈ 10 −2 nm ) müsste man einzelne Atome sehen kön- nen. Es gibt jedoch keine Linsen für Röntgenstrahlen, weil alle Stoffe bei derart kurzen Wellenlängen einen Brechungsindex n = 1 haben. (Röntgenteleskope auf Forschungssatelliten nutzen die Reflexion von Röntgenstrahlung an Metalloberflä- chen bei streifendem Einfall.) Elektronen lassen sich auch bei hoher Energie durch elektrische und magnetische Felder ablenken, so dass Linsen für Elektronenstrahlen gebaut werden können. Im Elektronenmikroskop kann daher die Welleneigenschaft von Materie zur Abbil- dung kleiner Strukturen genutzt werden. ( 104.1 ) Das Elektronenmikroskop wurde um 1931 entwickelt. Die von einer Glühkathode ausgehenden Elektronen werden durch eine Spannung von rund 100 kV beschleu- nigt. Je höher die Spannung ist, desto kürzer ist nach der de Broglie-Beziehung die Wellenlänge der Elektronen. Magnetspulen wirken als Linsen. Im Magnetfeld wer- den die Elektronen durch die Lorentzkraft abgelenkt und auf den Brennpunkt fo- kussiert. Die Brennweite der Linsen kann über den Strom in den Spulen kon- tinuierlich verändert werden. Damit werden die Scharfeinstellung und die gewünschte Vergrößerung erzielt. Leider gestatten die unvermeidlichen Linsen- fehler nur Öffnungswinkel mit sin u ≈ 10 −2 . Deshalb können Elektronenmikroskope nur Abstände d ≈ 100 λ auflösen. Bei einer Beschleunigungsspannung von U ≈ 100 kV ergibt sich d ≈ 0,4nm. Das tatsächliche Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen ist etwas ge- ringer, es beträgt derzeit bis zu 0,1 nm , während Lichtmikroskope derzeit 200nm erreichen. Zum Vergleich: T-Zellen ( 104.3 ) und rote Blutkörperchen sind etwa 7500nm groß. Elektronenmikroskope gehören zu den wichtigsten Forschungsinstrumenten der Naturwissenschaften. Ihrem Einsatz verdanken wir viele Fortschritte der Medizin und Mikrobiologie, mittels Elektronenmikroskop konnten erstmals Viren sichtbar gemacht werden. Es gibt zwei hauptsächliche Bauarten in vielen und immer wieder neuen Varian- ten. Im Transmissions-Elektronenmikroskop werden die Proben durchleuchtet, ihre Struktur wird auf einem Bildschirm sichtbar gemacht. Rasterelektronenmikroskope dienen der Untersuchung von Oberflächen. Die Pro- ben werden mit einer feinen Goldschicht bedampft und mit dem Elektronenstrahl zeilenweise abgetastet. Aus der Intensität der reflektierten Elektronen wird ein plastisches und kontrastreiches Bild erzeugt. In einer weiteren Betriebsart wird durch den Elektronenbeschuss der Probe Röntgenstrahlung erzeugt, diese wird spektral analysiert. Durch Zuordnung der charakteristischen Röntgenlinien zu den chemischen Elementen kann man die Zusammensetzung der Probe von Punkt zu Punkt bestimmen. Lichtquelle Kondensor Objekt Objektiv Projektions- linse Endbild Elektronen- quelle Kondensor- spule Objekt Objektiv- spule Projektions- spule Endbild 104.1 Vergleich des Aufbaus eines Licht- mikroskops mit einem Elektronenmikroskop 104.2 Das Elektronenmikroskop an der Fakultät für Physik der Universität Wien kann mit Spannungen bis 300 kV betrieben werden (Vergrößerung bis 750 000fach). 104.3 Rasterelektronenmikroskop und Falschfarbentechnik lassen den Befall einer für das Immunsystem wichtigen T-Zelle (orange) durch AIDS-Viren (blau) sichtbar werden. Die Viren erkennen bestimmte Oberflächenbe- reiche und setzen sich dort fest. Anschließend schleusen sie sich in die Zellmembran ein. 104 QUANTENPHYSIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv