Kurz & knapp
Ein Elektronenmikroskop bildet Proben mit einem Strahl aus Elektronen statt mit Licht ab. Weil Elektronen eine viel kürzere Wellenlänge haben, löst es Details auf, die ein Lichtmikroskop nicht zeigen kann.
Inhalt
Ein Elektronenmikroskop ersetzt das Licht durch beschleunigte Elektronen und die Glaslinsen durch elektromagnetische Linsen. Das Bild entsteht im Hochvakuum, denn Luftmoleküle würden den Strahl streuen.
Warum Elektronen besser auflösen
Die Auflösung eines Mikroskops hängt von der Wellenlänge ab. Sichtbares Licht liegt bei 400 bis 700 Nanometern. Elektronen, die mit 100 Kilovolt beschleunigt werden, haben eine Wellenlänge von nur rund 4 Pikometern, also mehr als hunderttausendmal weniger als grünes Licht. In der Praxis begrenzen Linsenfehler die Auflösung, trotzdem erreichen gute Geräte Bruchteile eines Nanometers. Ein Lichtmikroskop kommt mit Apertur 1,4 nur auf etwa 200 Nanometer.
Aufbau in Kurzform
Oben in der Säule sitzt die Elektronenquelle, etwa ein Wolframdraht oder ein Feldemitter. Hochspannung beschleunigt die Elektronen, Magnetspulen bündeln den Strahl wie Linsen. Weil Luft den Strahl abbremsen würde, pumpen Vakuumpumpen die Säule leer. Die Bildqualität hängt stark von der Beschleunigungsspannung ab: Höhere Spannung bedeutet kürzere Wellenlänge und bessere Auflösung, belastet aber empfindliche Proben stärker.
Die zwei Haupttypen
| Merkmal | Transmissions-EM (TEM) | Raster-EM (REM) |
|---|---|---|
| Prinzip | Elektronen durchstrahlen die Probe | Elektronenstrahl rastert die Oberfläche ab |
| Probe | Ultradünn, oft 50 bis 100 Nanometer | Dicker, Oberfläche zählt |
| Bild | Innere Struktur, flach | Dreidimensional wirkende Oberfläche |
Mehr zur Oberflächen-Variante steht beim Rasterelektronenmikroskop. Noch kleinere Skalen erreichen Rastersonden wie das Rastertunnelmikroskop.
Probenvorbereitung beim TEM
Damit Elektronen eine Probe durchdringen, muss sie hauchdünn sein. Biologisches Gewebe wird dafür fixiert, in Harz eingebettet und mit einem Ultramikrotom in Scheiben von wenigen Dutzend Nanometern geschnitten. Das Prinzip kennst Du vom mikrotom der Lichtmikroskopie, nur um ein Vielfaches feiner. Zum Kontrast werden die Schnitte mit Schwermetallsalzen behandelt.
Geschichte
Max Knoll und Ernst Ruska bauten 1931 den ersten Prototyp. Schon 1933 übertraf Ruskas Gerät die Auflösung eines Lichtmikroskops. 1986 erhielt Ruska dafür den halben Nobelpreis für Physik.
Grenzen und Praxis
- Keine lebenden Proben: Das Vakuum und der Strahl töten Zellen. Proben werden fixiert, entwässert und teils bedampft.
- Schwarzweiß: Die bunten Bilder in Zeitschriften sind nachträglich eingefärbt.
- Aufwand: Die Geräte füllen Räume, brauchen Spezialpersonal und Schwingungsschutz.
Gut zu wissen: Für Schule und Hobby sind Elektronenmikroskope kein Thema. Viele Rastermikroskope stehen in Universitäten und lassen sich bei Tagen der offenen Tür besichtigen.
Im Alltag zählt ein solides Lichtmikroskop mit gutem objektiv. Passende Geräte findest Du im Ratgeber Mikroskop kaufen.
Verwandte Begriffe
Häufige Fragen
Wie funktioniert ein Elektronenmikroskop?
Eine Elektronenquelle erzeugt einen Strahl, der von Magnetlinsen fokussiert wird. Beim TEM durchdringt er die Probe, beim REM rastert er die Oberfläche ab. Detektoren wandeln die Signale in ein Bild um.
Warum sind Elektronenmikroskopbilder schwarzweiß?
Elektronen haben keine Farbe, der Detektor misst nur Intensität. Farbige Bilder sind nachträglich eingefärbt, um Strukturen zu unterscheiden oder Bilder anschaulicher zu machen.
Kann man mit einem Elektronenmikroskop lebende Zellen betrachten?
In der Regel nein. Das Vakuum und der energiereiche Strahl zerstören lebende Zellen. Proben werden vorher fixiert und entwässert. Für Lebendbeobachtungen nutzt man Licht-Verfahren wie Phasenkontrast.
Quellen
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