eMikroszkóp: Az elektronmikroszkópok működése

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.

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 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!

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).

Az elektronmikroszkóp képalkotásának alapelve megegyezik a fénymikroszkópéval. Hasonló útvonalon haladnak az elektronok, mint a fény a megfelelően elhelyezett lencsék között. De a hasonlóság ezzel ki is merült, számos nehézséget kell megoldani ahhoz, hogy az elektronokat a megfelelő optikai pályán tudjuk tartani. Először is, mivel az elektronok negatív töltésű részecskék, ezért erős kölcsönhatásba lépnek az atomokkal, amikről szóródnak. Ennek orvoslására el kell távolítani az elektronok útjából az atomokat, praktikusan a levegő molekuláit, azaz vákuumot kell létrehozni, méghozzá egészen erőset, 10-7 Tor-t (a légköri nyomást, ami 760 Tor, 8 milliárdod részére kell csökkenteni) az elektronmikroszkóp belsejében, ami egy kb. 2 méter hosszú, fél méter átmérőjű, vastagfalú fémcső. Azért ilyen masszív, mert a külső nyomásnak ellent kell állnia és a keletkező Röntgen-sugarakat is vissza kell tartania.

Ha már van vákuumunk elő kell állítani a száguldozó elektronokat. Ehhez azt a jelenséget használják, hogyha erős árammal felizzítunk egy fémszálat akkor a magas hőmérsékleten gyorsan mozgó elektronok kilépnek a fémből. Ezeket az elektronokat ezután egy sugárba kell rendezni és felgyorsítani. Ehhez azt a trükköt használják, hogy a fémszálat nem csak izzítják, hanem egy előtte elhelyezett hengerhez, vagy lukas koronghoz képest erősen negatívan tartják. Így a felizzott szál elektromosan taszítani fogja a negatív elektronokat, amelyek boldogan repülnek a pozitív töltésű terület felé. Mivel ebben az elrendeződésben az izzószál negatív, klasszikusan katódnak hívják. Hogy az elektronokat mekkora feszültségen kell gyorsítani, az függ az elérni kívánt nagyítástól, hiszen a nagyobb nagyításhoz kisebb hullámhossz kell, ahhoz nagyobb feszültség. Az elektronokat az elektronmikroszkópok legegyszerűbb fajtájában, a transzmissziós elektron mikroszkópban (TEM), átvilágító EM-ben 60-12 000 V-al, azaz 60-120 kV-al gyorsítják. Ezután, a megformált elektronnyalábot a fénymikroszkópban lefutó fényhez hasonlóan lencsékkel kell alakítani, hogy a mintát pontosan tudjuk megvilágítani és utána nagyított képet kapjunk. Lencsének persze nem használhatunk üveget, hiszen az elnyeli, nem pedig eltéríti az elektronokat. Mint azt Oersted, Faraday és Maxwell óta tudjuk, a mágneses tér erőt fejt ki a mozgó elektromos töltésre, ezért alkalmas a repülő elektronok eltérítésére. Megfelelően (és nem is túl bonyolultan) formált mágneses terekkel az optikai lencsékhez hasonló módon lehet fókuszálni az elektronsugarakat. Ráadásul, mivel erre elektronmágneseket használnak, az elektron mikroszkóp nagyítása szabadon állítható viszonylag nagy tartományban. Egy neuroanatómus 1.000-80.000 szeres tartományban változtathatja a nagyítást, hogy miután a mintájában kis nagyításon megkereste a megfelelő idegsejtnyúlványokat, a szinapszisokat nagy nagyításban is meg tudja vizsgálni.

Ahhoz, hogy képet kapjunk szükség van még néhány ravaszságra. Amikor az elektronok valahova becsapódnak látható fényt nemigen bocsájtanak ki, viszont Röntgen- sugarakat bőven. Egy elektron mikroszkópban ezért az elektronokat egy cink-szulfiddal bevont ernyőnek ütköztetik, ami sárgászöld felvillanásokkal jelzi az elektronok becsapódását. Hasonlóan az oszcilloszkópok ernyőjéhez, ami ugyanígy felgyorsított és irányított elektronokat használ. Ezt az ernyőt egy ablakon keresztül egy nagyítóval lehet megfigyelni. Az ablak üvege vastag és ólmot tartalmaz. Egyrészt ellen kell állni a jelentős erőnek mely a légkör és a vákuum közötti légnyomáskülönbségből fakad, másrészt ki kell szűrnie a röntgensugarakat. Manapság a képet már a mikroszkópba épített CCD kamerák készítik és számítógépeken lehet elemezni őket. Mitöbb a minta mozgatása is pontosan motorizált. egfelelő program segítségével lépésenként hatalmas terület fényképezhető le, melyből automatikus montázs készül.

A felvezetés után a következő részben megvizsgáljuk mire is alkalmasak a különböző típusú elektronmikroszópok.

Szerző: Gulyás Attila