Elektronenmikroskop – Aufbau und Funktion

Das Elektronenmikroskop funktioniert ganz anders, als ein normales Lichtmikroskop. Das Auflösungsvermögen eines normalen Mikroskops, wie z.B. beim Durchlichtmikroskop beträgt etwa 200 nm. Im Vergleich dazu kann man mit einem Elektronenmikroskop eine Auflösung von 0,1 nm erreichen. Das ist jedenfalls der aktuelle technische Stand. Und der Grund warum das Elektronenmikroskop so viel genauer ist, liegt in der Wellenlänge des Lichts, denn die begrenzt die mögliche Auflösung. Es können mit einem Lichtmikroskop keine Strukturen erkannt werden, die kleiner als 200 nm sind.

Beim Elektronenmikroskop kommt ja kein Licht zum Einsatz, sondern freie beschleunigte Elektronen. Diese haben eine viel kürzere Wellenlänge als das Licht. Daher ist es möglich, wie schon erwähnt, mit einem Elektronenmikroskop Strukturen zu erkennen, die 0,1 nm klein sind.

Wie funktioniert ein Elektronenmikroskop und wie ist es aufgebaut?

Versuchen wir einfach mal die Funktion eines Elektronenmikroskops ganz einfach zu beschreiben.

Bakterien der Beulenpest unter dem ElektronenmikroskopEine Elektronenkanone erzeugt freie Elektronen und schickt diese in Richtung der Anode. Im Prinzip ist die Anode der Pluspol und die Elektronenkanone der Minuspol (Katode). Ganz einfach erklärt. In Wirklichkeit liegt das Potential der Anode aber auf Erdpotential, also bei Null. Die Katode liegt jedoch auf einer negativen Hochspannung. Je nach Mikroskop kann das zwischen einigen Kilovolt und bis in den Megavolt-Bereich gehen.

Die freien Elektronen bewegen sich also mit einer irren Geschwindigkeit in Richtung der Anode. Im normalen Lichtmikroskop kommen verschiedene Linsen mit fester Brennweite zum Einsatz. Im Elektronenmikroskop sind das Elektronenlinsen. Diese sind regelbar und erzeugen ein elektrisches Feld, mit dem sich der Elektronenstrahl beeinflussen lässt. So kann er gebündelt und abgelenkt werden.

Der ganze Vorgang findet übrigens im Vakuum statt. Das hat den einfachen Grund, damit die Elektronen auf ihrem Weg von der Katode zur Anode nicht mit anderen Molekülen in der Luft zusammenstoßen. Das würde das Ergebnis verfälschen und wenn man sich vorstellt, von welchen Größen wir hier sprechen, dürft das schnell klar werden.

Natürlich gibt es auch noch eine Objekthalterung. Den irgendwo muss das zu untersuchende Präparat ja fixiert werden. Die Objekthalterung lässt sich aber verschieben oder drehen.

Trifft der Elektronenstrahl auf das Objekt, das untersucht werden soll (Präparat), werden dort wieder Elektronen freigesetzt. Damit man auch ein Ergebnis erzielt und quasi etwas zu sehen bekommt, muss es natürlich auch Detektoren geben, die diese Elektronen registrieren und entsprechend auswerten. Natürlich ist der extrem feine Elektronenstrahl nicht nur auf einen Pnkt gerichtet, sondern er tastet systematisch das Präparat ab (Rasterelektronenmikroskop). Oder aber man arbeitet mit einem breiteren Elektronenstrahl, der gleichmäßig auf eine Stelle gerichtet ist (Ruhebildmikroskop).

Hier noch mal ein Video zur Funktion und Anwendung eines Rasterelektronenmikroskop:

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