Quantenobjekt Elektron

Grundlegendes
Will man über die Struktur kleiner Objekte Kenntnis erlangen, so muss man sie mit einer Strahlung untersuchen, deren Wellenlänge kleiner ist als die Größenordnung der Struktur.

In den nebenstehenden Bilder treffen Wasserwellen von links kommend mit jeweils gleicher Wellenlänge auf verschieden ausgedehnte Hindernisse:

• Im oberen Bild ist die Länge des Hindernisses deutlich größer als die Wellenlänge der ankommenden Wasserwelle. Das Wellenfeld hinter dem Hindernis ist merklich gestört. Aus dieser Störung können Rückschlüsse auf das Hindernis gezogen werden.
• Im unteren Bild sind die Abmessungen des Hindernisses kleiner als die Wellenlänge. Das Wellenfeld rechts vom Hindernis ist nicht nennenswert gestört, so dass aus diesem Wellenfeld kaum Informationen über das Hindernis gewonnen werden können.

Fazit:
Will man sehr kleine Strukturen untersuchen, so muss die Wellenlänge der Strahlung, mit der die Untersuchung durchgeführt wird, kleiner als die Abmessung des Hindernisses sein. Die kleinste Wellenlänge beim sichtbaren Licht (Farbe Blau) beträgt ca. 400 nm = 0,400 μm. In der Praxis können mit Lichtmikroskopen Strukturen kleiner als 200 nm (z.B. Viren) nicht wahrgenommen werden.

Verwendet man bei einem Mikroskop anstelle des Lichts die Elektronenstrahlung, so hat man nach De Broglie je nach Beschleunigungsspannung für die Elektronen eine wesentlich kurzwelligere Strahlung zur Verfügung, mit der man dann auch extrem kleine Strukturen untersuchen kann.

Ein kurzer Blick in die Geschichte der Elektronenmikroskopie:

• 1924: Louis de Broglie (1892-1987) erkennt, dass nicht nur Licht Wellen- und Teilcheneigenschaften besitzt, sondern auch z.B. Elektronen. Er führt die nach ihm benannte Wellenlänge für Teilchen mit von Null verschiedener Ruhemasse ein. Nobelpreis 1929.
• 1931: Die deutschen Wissenschaftler Max Knoll (1897-1969) und sein Schüler Ernst Ruska (1906-1988) bauen in Berlin das erste experimentelle Transmissions-Elektronen-Mikroskop in Berlin.
• 1933: Ernst Ruska baut das erste Elektronenmikroskop, das wesentlich leistungsfähiger ist als ein Lichtmikroskop.
• 1935: Max Knoll baut das erste Raster-Elektronen-Mikroskop (SEM).
• 1981: Gerd Binnig (1947-) und Heinrich Rohrer (1933-) vom IBM Labor in Zürich bauen das erste Raster-Tunnel-Elektronen-Mikroskop mit dem man in den atomaren Bereich vorstoßen kann.
• 1986: Binnig und Rohrer bekommen zusammen mit dem Elektronenmikroskop-Pionier Ernst Ruska den Nobelpreis für Physik.

Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten
Es gibt inzwischen verschiedene Typen von Elektronenmikroskopen von denen hier jedoch nur das ursprünglich von E. Ruska entwickelte Transmissions-Elektronen-Mikroskop (TEP) etwas näher betrachtet werden soll. Dieses Elektronenmikroskop ähnelt im Aufbau sehr stark dem Lichtmikroskop, dessen Funktionsweise noch einmal kurz wiederholt werden soll:

• Ein großer Teil des von der Quelle kommenden Lichts wird durch einen Kondensor (Sammellinse) auf das zu untersuchende Objekt konzentriert.
• Die lichtaussendenden Punkte des Objekts werden durch das Objektiv scharf in der Zwischenebene abgebildet.
• Die Projektionslinse entwirft schließlich ein scharfes Endbild des Zwischenbildes.
• Beim Elektronenmikroskop tritt an die Stelle der Lichtquelle die Elektronenquelle, in der ausgehend von einer Glühkathode die Elektronen auf eine positiv geladene Anode hin beschleunigt werden (Beschleunigungsspannung ca. 80 kV bei Proben aus der Biologie bis ca. 400 kV bei Proben für die Materialwissenschaft). Die gesamte Anordnung (Quelle, Spulen, Objekt und Beobachtungsschirm) befinden sich beim TEM im Hochvakuum, damit die Elektronen nicht mit Teilchen der Luft unerwünschte Stöße ausführen.
• Die Kondensorspule ist - wie auch die folgenden Spulen - ein Elektromagnet, der auf die Elektronen so wirkt, wie eine Sammellinse auf Licht. Die "Brennweite" der Spule hängt ganz wesentlich von der Stromstärke in den Spulen ab.
  
  Detailbild einer "Magnetlinse":

Die von einem Eisenpanzer umgebene Spule erzeugt im Luftspalt ein inhomogenes Magnetfeld, das nahe der Achse relativ schwach ist und mit zunehmender Entfernung von der Achse stärker wird. Ein axial eintretendes Elektronebündel wird durch die Linse fokussiert.

• Das zu durchstrahlende Objekt muss aufwändig präpariert werden: z.B. Einbettung in Kunstharz; evtl. Schockgefrierung
  Damit die Elektronen durch die Probe treten können (transmittere: überqueren), muss die Probendicke sehr klein sein (10 nm bis 100nm).
• Das Endbild entsteht z.B. auf einem Leuchtschirm der mit einem Beobachtungsmikroskop näher betrachtet werden kann. Zunehmend wird das Endbild mit einer speziell präparierten CCD-Kamera festgehalten.
• Transmissionselektronenmikroskope finden z.B. in der Medizin Verwendung zur Identifikation von Viren und Bakterien. Im Bereich der Biologie kann man mit einem TEM Zellstrukturen sichtbar machen. In der Materialwissenschaft kann das TEM zur Untersuchung der Feinstruktur von Polymeren eingesetzt werden.

Die folgende Abbildung (Idee nach einer Abbildung der Uni Ulm) zeigt den Einsatzbereich der verschiedenen Arten von Beobachtungsinstrumenten.

Hinweise:

• Mit einem neueren Typ des Elektronenmikroskops (Raster-Sonden-Mikroskop) gelingt es inzwischen in atomare Strukturen vorzustoßen.
• Auf der Seite des Deutschen Museums in München können Sie das erste von Ruska gebaute TEM bewundern.
• Auf einer Seite der Nobel-Organisation finden Sie einen Simulator zum TEM (Shockwave-Player nötig!).