Posts Tagged mikroskop

Elektronski mikroskop

Tudi kolega Klemen Zelič nam je zaupal svoj seminar v objavo, tako da se kar lepo naslonite nazaj in preberite, kaj ima povedati o elektronskih mikroskopih.

Uvod

Elektronski mikroskop se uporablja za opazovanje objektov, premajhnih za opazovanje z optičnim mikroskopom. Elektronski mikroskop s snopom elektronov otipava površino preparata. Podobno kot pri optičnem mikroskopu valovna dolžina svetlobe, elektronskemu de Broglijeva valovna dolžina elektrona predstavlja mejo ločljivosti. Ker je de Broglijeva valovna dolžina elektrona precej krajša, kot valovna dolžina fotona iz vidnega dela spektra, je ločljivost elektronskega mikroskopa mnogo boljša od optičnih mikroskopov.

 \lambda = \frac{h}{p}

kjer je h Planckova konstanta in p gibalna količina elektrona. Elektroni v snopu imajo okoli 100keV energije (40keV-400keV odvisno od želene resolucije). Pri elektronih s tako energijo je potrebno upoštevati relativistične efekte. Torej se de Broglijeva valovna dolžina zapiše:

 \lambda = \frac{hc}{\sqrt{E^2-m^2_e c^2_0}} \approx 1nm

kjer je E polna energija elektrona, me masa elektrona in c0 svetlobna hitrost. Dobimo, da je njihova valovna dolžina ≈ 1nm. Z elektronskim mikroskopom torej lahko opazujemo objekte nanometrskih velikosti. Z nekoliko višjo energijo vpadnega snopa lahko vidimo celo obliko in velikost atomov, ki so veliki okoli 0,1nm. To je približno tisočkrat bolje od najboljšega optičnega mikroskopa. Povečava elektronskega mikroskopa je navadno 106.

Sliki prikazujeta površino diamanta in virus tobačnega mozaika TMV. Obe sta posneti z elektronskim mikroskopom tipa TEM.

Zgodovina

Prvi prototip elektronskega mikroskopa sta leta 1931 izdelala nemški fizik Ernst Ruska in elektro inžener Max Knoll. Že dve leti prej sta predstavila sistem elektromagnetov, ki na elektronski snop delujejo kot leče. Ernst Ruska, ki je bil takrat star komaj 25 let, se je domislil, da bi lahko to s pridom uporabiti v elektronskem mikroskopu. Izdelava prvega elektronskega mikroskopa je predstavljala njegovo doktorsko nalogo. Ko je Ruska uspešno doktoriral se je posvetil razvijanju televizorja. Povečava njunega elektronskega mikroskopa je bila le 400. Inženirji podjetja Siemens so hitro ugotovili, da bi lahko elektronski mikroskop močno izboljšali. Še isto leto, ko sta Ruska in Knott izdelala prvi mikroskop, je strokovni direktor Siemensa Reinhold Rudenberg elektronski mikroskop patentiral. Zamislil si je uporabo elektronskega mikroskopa v medicini in biologiji. Leta 1937 je Siemens zaposlil Ernsta Rusko kot vodilnega pri projektu izdelave komercialnega mikroskopa. Že leta 1939 je Siemens na tržišu predstavil prvi praktično uporabni elektronski mikroskop tipa TEM.

Edvard Ruska se zabava z elektronskim mikroskopom

Ruska je spodbodel Siemens k odprtju novega razvojnega oddelka, ki se je ukvarjal z razvojem elektronskga mikroskopa za medicinske potrebe. Vodil ga je doktor medicine Ruskin brat Helmut Ruska. Ob znatni finančni podpori Siemensa so se inovacije in izboljšave mikroskopa hitro vrstile. Tako so kmalu iznašli še več vrst elektronskih mikroskopov (SEM, REM, STEM). Pri vseh raziskavah je pomembno vlogo odigral Ernst Ruska in bil leta 1986 nagrajen z Nobelovo nagrado za dosežke na področju elektronske optike.

Delovanje

Elektronski mikroskop je sestavljen iz elektronske puške, v kateri nastane snop pospešenih elektronov; elektronskih leč, ki služijo za zbiranje in odklanjanje elektronskega curka; detektorjev, ki sprejemajo elektrone in elektromagnetno valovanje, ki nastanejo pri interakciji elektronskega snopa z vzorcem ter krmilja za optimiranje pogojev dela. Poleg tega je potrebna tudi vakuumska enota, ki zagotavlja v komori nizke tlake, in sicer od 10-4Pa do 10-6Pa.

1. Emisija elektronov

Izvor elektronov v elektronskem mikroskopu sta termična ali poljska emisija elektronov iz kovine. Če kovino segrejemo, lahko elektroni dobijo dovolj termične energije, da ta preseže njihovo vezavno energijo. Tako postanejo prosti. Pojav se imenuje termična emisija in se s pridom uporablja v vsaki katodni cevi. Drugi način izbijanja elektronov iz kovine je poljska emisija. V kristalu kovine se elektroni prevodnega pasu obnašajo kot skoraj prosti. Tem elektronom kovina predstavlja potencialno jamo. Stene kovine so potencialne bariere, ki elektronom preprečujejo pobeg. Če kovino izpostavimo močnemu električnemu polju v pravi smeri, to polje stanjša potencialno bariero. Z debelino bariere eksponentno pada verjetnost za tuneliranje elektrona skoznjo. Odbojni koeficient se zapiše kot:

 T = \frac{4k^2_1k^2_2}{(k^2_1+k^2_2)}e^{-2k_2 x_0}
 k^2_1 = \frac{2mW_0}{\hbar} ;\, k^2_2 = \frac{2m(V-W_0)}{\hbar }

V je velikost potencialne bariere, W0; energija delca, m masa delca in x0; širina potencialne bariere. Ob stanjšanju potencialne prepreke se verjetnost za tuneliranje znatno poveča. Pri kosu kovine makroskopskih razsežnosti to pomeni povečanje števila naključno emitiranih elektronov, zaradi tuneliranja. Seveda je verjetnost za tuneliranje največja za elektrone na Fermijevi površini, saj imajo ti elektroni največjo energijo. Ob odsotnosti polja je verjetnost za tuneliranje tako majhna, da je pojav neopazen, če pa polje dovolj povečamo, nam lahko služi kot izvor elektronov.
V elektronskih mikroskopih se za termično elektronsko emisijo največkrat uporabljajo volframove nitke, za poljsko pa kristal LaB6.

Potencialna jama - ne boš mi ušel, ne bo... aja, te ni več ... pismo

Read the rest of this entry »

, ,

4 Comments