電子顕微鏡は、電子ビームを使用して試料の画像を作成する顕微鏡です。電子ビームは、高電圧を使用して電子を加速する電子銃によって生成されます。次に、電子は磁石によって集束され、試料を通過します。得られた画像は拡大され、スクリーンに投影されます。
人間の目は、特定の次元領域内でのみ視力の頂点に達します。そうでなければ、ひどく近視眼的です。目は、淡い砂と湿った岩の広がりを見渡すことさえできず、孤独で吊り下げられた木をそのすべての素晴らしさと詳細で評価することはできません。同様に、どんなに精査しても、目は砂の粒子に拘束されます。彼らは単に、これ以上ズームインする準備ができていません.
私たちの制限は、進化の観点から合理的です。私たちの標準的な視力は日常生活に十分であるのに、マクロとミクロの領域を観察することを可能にする模範的なビジョンを開発するために貴重で限られたリソースを費やす必要はありません。私たちの祖先は、アフリカのサバンナで生き残るために、信じられないほどの解像度、つまり金属内の原子を区別できる2つの物体を区別する能力を必要としませんでした.いいえ、ライオンと茂みを見分けるのに十分な解像度が必要でした.
(写真提供:Pixabayとウィキメディア・コモンズ)
しかし、この生物学的ピークを乗り越えるために、私たちは必要性や純粋な好奇心から、到達範囲を広げるためのツールを構築しました。私たちを地球上で最も進歩した、または成功した種にするのは、自然を裏切るツールを構築する私たちの能力であると推測する人もいます.星を見るために円錐望遠鏡を作り、隠された原子の群れを垣間見るために顕微鏡を作りました。これら 2 つの機能は基本的に同じで、拡大です。
望遠鏡は大きな物体を小さく見せますが、顕微鏡は小さな物体を大きく見せます。どちらの機器も、レンズの助けを借りて目的を達成します。レンズは、入射光を収束および発散させ、肉眼に到達させます。肉眼は反対側から覗きます。ただし、ここでの関心は顕微鏡だけです。特に、光線を歪ませるのではなく、電子を歪ませる顕微鏡の種に関係しています!それは電子顕微鏡と呼ばれています (創造性は満点です!)。
電子顕微鏡の仕組み
電子顕微鏡は1000万倍まで拡大できます！これは、光学顕微鏡が達成できる値の 5,000 倍です。電子顕微鏡は、電子が波動特性を持っているというルイ・ド・ブロイの仮説と組み合わせて、電子の磁気特性を使用して、倍率をまったく新しいレベルに高めます。
電子顕微鏡。 (写真提供:アンドリュー・マギル / ウィキメディア・コモンズ)
ルイ・ド・ブロイの貢献:決意
電子の波長は可視光の最大 100,000 分の 1 であり、優れた分解能を実現する特性です。これは、波長の短い粒子が物体により深く浸透する傾向があり、その結果、表面の下にあるものを見ることができるためです。バスケットボールは、テニス ボールのサイズのスリットを通過できません。
バスケットボールによって描かれた画像の「穴」、またはより正確には詳細は、バスケットボールがそれらについて細心の注意を払って調査したことがないため、曖昧です。それは単にできません。赤いペンキがびっしり詰まったバスケットボールが床で跳ね返った場合、大きな赤い円が後ろに残ります。これを、同じ円の中で複数の赤いテニス ボールが同時に跳ね返った場合の詳細と比較してください。
そのサイズのために、バスケットボールはその間のより細かいギャップを見落とし、それらを取り囲むのと同じ色でそれらを無作法に埋めます.これにより、ピクセルが少なくなります。 一方、テニスボールはすべてのスリットまたはギャップに浸透するため、よりピクセル化された画像が生成されます。ピクセル化されていない画像にズームインすると、その要素がぼやけて見えます — 仮定のキャンバスです.一方、よりピクセル化された画像は、より鮮明に表示され、より徹底的に調査されます.
電子の磁気特性:拡大への収束
入射電子自体は、タングステンなどの電子源または電子銃によって生成されます。電子源または電子銃に数千ボルトの電力が供給されると、電子源または電子銃がカラム内でビームを大量に放出します。空気中またはその他の媒体中の粒子が電子と衝突し、機器の繊細な操作を妨害する可能性があるため、カラム内を完全な真空に保つことが不可欠です。
現在、移動する電子は本質的に小さな磁石であるため、大きな磁石によって電子を偏向させて、顕微鏡のカラム内で収束または発散させることができます。電子顕微鏡では、磁石は光学顕微鏡で光学レンズが実行する機能を実行します。高度に収束された電子は、精査中のサンプルの表面に飛び散ります。
磁石による荷電粒子の曲げは、サイクロトロンと呼ばれる最初の粒子加速器の動作原理です。陽子は磁場によって曲げられ、同心円状に急速に渦を巻いて最も外側の円に到達し、最後に外側に飛び出します。 (写真提供:KlausFoehl / ウィキメディア・コモンズ)
画像の形成は、配備されている電子顕微鏡の種類によって異なります。ただし、両方の顕微鏡で、画像は、たとえば顕微鏡の端にある蛍光体でコーティングされた蛍光スクリーンで照らされます。輝度にエンコードされた情報は、観察やカラー化のためにコンピュータ画面に中継されます。 2 種類の電子顕微鏡を見てみましょう。
透過型電子顕微鏡 (TEM)
2 種類の電子顕微鏡は、2 種類の光学顕微鏡と非常によく似ています。最初のタイプは透過型電子顕微鏡 (TEM) で、その光対応物は複合顕微鏡です。 TEM は、最大 5,000,000 倍のピアシング倍率を生成します。最高の TEM は、隣接する 2 つの原子を分解することさえ知られています。したがって、顕微鏡は細胞の深部構造と個々の構成要素を研究するために使用されます。
バリアントは、2 次元の白黒またはグレースケールの画像が、直接透過した、またはサンプルに飛び散った電子によって彫刻されるため、そのように名付けられました。画像は、それを通過する入射電子と高密度構造に吸収される電子の相互作用によって投じられる「影」として作成されます。影の暗さはアスペクトの密度の関数です。入射電子は技術的に「一次」電子と呼ばれます。 
ただし、その利点に関係なく、TEM には欠点もあります。機器は一度にサンプルの 1 つの側面しか研究できません。その視野は著しく制限されています。さらに、サンプルは非常に薄くなければならず、徹底的な注意と専門知識を持って台座に配置する必要があります。ほんのわずかなずれでも、画像が大きく歪むことがあります。これらの制約により、TEM の使用が問題になることがよくあります。
走査型電子顕微鏡 (SEM)
これらの制限は、走査型電子顕微鏡 (SEM) と呼ばれる別の種類の電子顕微鏡によって克服できます。 SEM は、TEM が慣れているサンプルよりも厚いサンプルを拡大できます。したがって、それらの配置には、専門知識や面倒な慎重さは必要ありません。さらに優れているのは、SEM によって作成された白黒画像が 3 次元であるという事実です!
さらに、視野が広いため、生物学者や化学者は、たとえば細胞構造全体を研究する能力を備えています。ライト アナログは実体顕微鏡で、互いにオフセットされた 2 つの光路または軸を介して光を送ることによって、3 次元画像を生成することもできます。それらの間の角度の違いは、奥行きの知覚に変換されます。 
SEM は主に表面の研究に使用されます。ソースから放出された一次電子は、サンプルの表面を 1 行ずつ「スキャン」します。それらは、コースで遭遇する電子を励起してノックアウトします。画像は、表面によって散乱されたこれらの電子を検出することによって形成されます。これらの放出された電子は「二次」電子として知られています。表面は電子を散乱させるだけでなく、X 線や光子などのさまざまな放射を散乱させます。この装置には、拡大画像を描画するためにこれらすべての放射を供給する検出器が装備されています。
ただし、もちろん、キャッチがあります。これらすべての利点は、解像度と倍率を犠牲にして得られます。表面を最大 100,000 倍に拡大します。これはかなり高いですが、TEM に比べると微々たるものです。もちろん、これは必ずしも TEM が優れているという意味ではありません。それぞれが、自分の専門知識に最も適した仕事に採用されたときに最も効果的です。
(写真提供:ピクサーノ)
実際、これは、特に経済的処分も考慮する場合、光または電子のどの顕微鏡にも当てはまります。 2 つの電子顕微鏡に 1 つの類似点があるとすれば、それはどちらもかなり高価なことです!
