eMikroszkóp: Az elektronmikroszkópok működése

2023. július 11. kedd

Ugyan az # agyséta a szerveződési szinteken felfelé halad, mi itt most az #agytechnikák rovatban kicsit lefelé a sejtektől a sejtalkotórészek felé haladunk. Eddig a fénymikroszkópokról volt szó, most egy szinttel lejjebb lépünk. Bemutatjuk az elektronmikroszkópok fajtáit és hogy melyik mit mutat meg nekünk.

A mikroszkópok által használt vizsgáló hullámok hossza és a vizsgálható elemek mérete közötti összefüggést bemutató ábra.

Először is mitől elektron egy elektronmikroszkóp? Miért nem jó nekünk a fénymikroszkóp? Azért, mert a fizika törvényei szerint az elérhető nagyítás (pontosabban a felbontás, azaz két pont közötti különbségtétel) összefügg a vizsgálathoz használt fény hullámhosszával.

 

Minél rövidebb a vizsgálatra használt fény vagy elektronsugár hullámhossza, annál finomabb részleteket lehet vele megvizsgálni.Miért (miért, miért, miért kérdezi helyesen egy 2-3 éves gyerek, mert mindent tudni akar)? Képzeljük el, hogy találunk egy ősrégi épületben a kőpadlón egy nyílást. Csak annyit látunk, hogy sáros víz van benne. Kíváncsiak vagyunk mi lehet odabent, de mivel a víz sáros nem tudunk bevilágítani a vízbe. Fogunk egy karvastagságú botot és elkezdjük letapogatni mi lehet odabent. Kitapogatjuk, hogy hol vannak kiemelkedések és mélyedések. Sejtjük, hogy valami dombormű féle lehet, talán felirat is van. De vastag botunkkal nem tudjuk ilyen finoman letapogatni. Kerítünk egy ujjvastagságú pálcát, amivel a finomabb mélyedésekbe is be tudunk tapogatni, a dombormű részleteit kezdjük érteni, de a szöveg finom vésett rovásait még ezzel sem tudjuk letapogatni. Végül egy szöget erősítünk a pálca végére és ennek finom hegyével a vésett szöveget is ki tudjuk tapogatni. Nos a fénysugár is így tapogatja le a tárgyakat. Minél rövidebb a hullámhossza, annál finomabb részleteket képes letapogatni.

 

A kvantummechanika furcsaságai miatt a fotonok hullámhosszuk léptékében szóródnak. Két pont csak akkor különíthető el, ha a fény hullámhosszánál nagyobb távolságra vannak egmástól.A fénnyel az a baj, hogy a látható fény legrövidebb összetevőjének a kék fénynek a hullámhossza 400 nm. Ezzel nagyjából két 200 nm-re levő pontot lehet elkülöníteni. De praktikusan a látható fényt használó mikroszkópok felbontása 1 µm körül mozog. A pontos felbontást megadó képlet (Rayleigh összefüggés) ennél bonyolultabb és az optikai rendszer tervezésének sajátosságait is figyelembe veszi, de ebbe most nem mennénk bele, nagyságrendi hibát nem vétünk.


Amikor a fizikusok megpróbálták kibogozni a kvantummechanika felépítése során, hogy a fény most hullám-e vagy részecske, Louis de Broglie rájött arra, hogy nem csak a fénynek, hanem minden anyagi részecskének is kettős: részecske és hullám tulajdonsága van. Ezt PhD tézisében írta meg 1924-ben, ami igen ütős munkának bizonyult, ugyanis 5 évvel később Nobel díjjal ismerték el munkáját!


De Broglie és fontos gondolata.Az elektron anyag, tehát de Broglie alapján az elektron is hullámként viselkedik, ha mozog. Az elektronsugár hullámhossza pedig függ az elektron energiájától, azaz mozgásának sebességétől. Minél nagyobb az, annál rövidebb az elektronsugár hullámhossza. Az orrát mindenbe beleütő zseni, Szilárd Leó (ugye a nukleáris láncreakció lehetőségére is Ő jött rá, szabadalmaztatta is, de később lemondott róla, hogy az ő általa Einsteinnek írt levél alapján elinduló Manhattan program atombombát tudjon készíteni) már 1928-ban próbálta meggyőzni Gábor Dénest, hogy készítsen elektronmikroszkópot. Úgy tűnik akkortájt a később a hologram felfedezéséért Nobel díjjal kitüntetett Gábor Dénes mással volt elfoglalva, mert az első működő elektronmikroszkópot Max Knoll és Ernst Ruska készítette 1931-ben (amiért 1986-ban osztottak Nobel díjat az akkor még élő Ernst Ruskának).