Vantagens da Microscopia Eletrônica vs. Microscopia de Luz
Semelhanças e diferenças do princípio de imagem do microscópio óptico do microscópio eletrônico
O microscópio eletrônico é um instrumento que substitui o feixe de luz e as lentes ópticas por feixes de elétrons e lentes eletrônicas de acordo com o princípio da óptica eletrônica, de modo que a estrutura fina da matéria possa ser visualizada sob uma ampliação muito alta.
O poder de resolução de um microscópio eletrônico é expresso pela pequena distância entre dois pontos adjacentes que ele pode resolver. Nos anos 1970, os microscópios eletrônicos de transmissão tinham uma resolução de cerca de 0,3 nanômetros (o olho humano tem um poder de resolução de cerca de 0,1 milímetros). Agora, a ampliação máxima do microscópio eletrônico é de mais de 3 milhões de vezes, e a ampliação máxima do microscópio óptico é de cerca de 2.000 vezes, de modo que os átomos de certos metais pesados e a rede atômica ordenadamente organizada em cristais podem ser observados diretamente através do microscópio eletrônico.
Em 1931, Knorr-Bremse e Ruska na Alemanha modificaram um osciloscópio de alta voltagem com uma fonte de elétrons de descarga de cátodo frio e três lentes de elétrons, e obtiveram uma imagem ampliada mais de dez vezes, o que confirmou a possibilidade de ampliar a imagem por um microscópio eletrônico . . Em 1932, após o aprimoramento de Ruska, o poder de resolução do microscópio eletrônico atingiu 50 nanômetros, o que era cerca de dez vezes o poder de resolução do microscópio óptico da época, então o microscópio eletrônico começou a atrair a atenção das pessoas.
Na década de 1940, Hill nos Estados Unidos compensou a assimetria rotacional da lente eletrônica com um astigmatista, que fez um novo avanço no poder de resolução do microscópio eletrônico e gradualmente atingiu o nível moderno. Na China, um microscópio eletrônico de transmissão com resolução de 3 nanômetros foi desenvolvido com sucesso em 1958, e um microscópio eletrônico de grande escala com resolução de 0,3 nanômetros foi feito em 1979.
Embora o poder de resolução dos microscópios eletrônicos seja muito melhor do que os microscópios ópticos, é difícil observar organismos vivos porque os microscópios eletrônicos precisam trabalhar sob condições de vácuo, e a irradiação de feixes de elétrons também causará danos à radiação em amostras biológicas. Outras questões, como a melhoria do brilho do canhão de elétrons e a qualidade da lente de elétrons, também precisam ser mais estudadas.
O poder de resolução é um indicador importante do microscópio eletrônico, que está relacionado ao ângulo do cone incidente e ao comprimento de onda do feixe de elétrons que passa pela amostra. O comprimento de onda da luz visível é de cerca de 300 a 700 nanômetros, enquanto o comprimento de onda do feixe de elétrons está relacionado à tensão de aceleração. Quando a tensão de aceleração é 50-100 kV, o comprimento de onda do feixe de elétrons é de cerca de 0,0053-0,0037 nm. Como o comprimento de onda do feixe de elétrons é muito menor do que o comprimento de onda da luz visível, mesmo que o ângulo do cone do feixe de elétrons seja apenas 1% do de um microscópio óptico, o poder de resolução de um microscópio eletrônico ainda é muito superior ao de um microscópio óptico.
O microscópio eletrônico consiste em três partes: o tubo da lente, o sistema de vácuo e o gabinete da fonte de alimentação. O barril da lente inclui principalmente canhão de elétrons, lente de elétrons, suporte de amostra, tela fluorescente e mecanismo de câmera, que geralmente são montados em um cilindro de cima para baixo; o sistema de vácuo é composto de bomba de vácuo mecânica, bomba de difusão e válvula de vácuo, etc. O gasoduto é conectado com o barril da lente; o gabinete da fonte de alimentação é composto por um gerador de alta tensão, um estabilizador de corrente de excitação e várias unidades de ajuste e controle.
A lente eletrônica é uma parte importante do corpo do microscópio eletrônico. Ele usa um campo elétrico espacial ou campo magnético simétrico ao eixo do barril para dobrar a trajetória do elétron ao eixo para formar o foco. Sua função é semelhante à de uma lente convexa de vidro para focalizar o feixe, por isso é chamada de lente de elétrons. . A maioria dos microscópios eletrônicos modernos usa lentes eletromagnéticas, que focam os elétrons por um forte campo magnético gerado por uma corrente de excitação DC muito estável através de uma bobina com uma sapata polar.
O canhão de elétrons é um componente composto por um cátodo quente de filamento de tungstênio, uma grade e um cátodo. Ele pode emitir e formar um feixe de elétrons com velocidade uniforme, de modo que a estabilidade da tensão de aceleração não seja inferior a 1/10,000.
Os microscópios eletrônicos podem ser divididos em microscópios eletrônicos de transmissão, microscópios eletrônicos de varredura, microscópios eletrônicos de reflexão e microscópios eletrônicos de emissão de acordo com sua estrutura e uso. Os microscópios eletrônicos de transmissão são frequentemente usados para observar aquelas estruturas de materiais finos que não podem ser distinguidas por microscópios comuns; os microscópios eletrônicos de varredura são usados principalmente para observar a morfologia de superfícies sólidas e também podem ser combinados com difratômetros de raios X ou espectrômetros de energia eletrônica para formar elétrons. Microsondas para análise da composição de materiais; Microscopia Eletrônica de Emissão para o estudo de superfícies eletrônicas auto-emissoras.
O microscópio eletrônico de projeção é nomeado após o feixe de elétrons penetrar na amostra e, em seguida, usar a lente eletrônica para gerar imagens e ampliar. Seu caminho óptico é semelhante ao de um microscópio óptico. Neste microscópio eletrônico, o contraste dos detalhes da imagem é criado pela dispersão do feixe de elétrons pelos átomos da amostra. Partes mais finas ou menos densas da amostra, o feixe de elétrons se espalha menos, então mais elétrons passam pela abertura da objetiva, participam da geração de imagens e aparecem mais brilhantes na imagem. Por outro lado, as partes mais espessas ou densas da amostra aparecem mais escuras na imagem. Se a amostra for muito espessa ou muito densa, o contraste da imagem se deteriorará ou até mesmo será danificado ou destruído pela absorção da energia do feixe de elétrons.
A parte superior do tubo do microscópio eletrônico de transmissão é o canhão de elétrons, os elétrons são emitidos pelo cátodo quente do filamento de tungstênio, passam pelo laser e as duas segundas lentes do condensador focam o feixe de elétrons. Depois de passar pela amostra, o feixe de elétrons é visualizado no espelho intermediário pela lente objetiva e, em seguida, ampliado passo a passo através do espelho intermediário e do espelho de projeção e, em seguida, visualizado na tela fluorescente ou na placa fotográfica seca.
O espelho intermediário ajusta principalmente a corrente de excitação e a ampliação pode ser alterada continuamente de dezenas a centenas de milhares de vezes; alterando a distância focal do espelho intermediário, imagens de microscópio eletrônico e imagens de difração de elétrons podem ser obtidas em pequenas partes da mesma amostra. . Para estudar amostras de fatias de metal mais espessas, o Laboratório Francês de Óptica Eletrônica Dulos desenvolveu um microscópio eletrônico de ultra-alta tensão com uma tensão de aceleração de 3500 kV. Esquema da Estrutura do Microscópio Eletrônico de Varredura
O feixe de elétrons de um microscópio eletrônico de varredura não passa pela amostra, mas apenas varre a superfície da amostra para excitar elétrons secundários. Um cristal de cintilação colocado próximo à amostra recebe esses elétrons secundários e modula a intensidade do feixe de elétrons do tubo de imagem após a amplificação, alterando assim o brilho na tela do tubo de imagem. O jugo de deflexão do tubo de imagem mantém a varredura em sincronia com o feixe de elétrons na superfície da amostra, de modo que a tela fluorescente do tubo de imagem exiba a imagem topográfica da superfície da amostra, que é semelhante ao princípio de funcionamento da televisão industrial.
A resolução de um microscópio eletrônico de varredura é determinada principalmente pelo diâmetro do feixe de elétrons na superfície da amostra. A ampliação é a razão entre a amplitude de varredura no tubo de imagem e a amplitude de varredura na amostra, que pode ser alterada continuamente de dezenas a centenas de milhares de vezes. O microscópio eletrônico de varredura não requer amostras muito finas; a imagem tem um forte efeito tridimensional; ele pode analisar a composição da matéria usando informações como elétrons secundários, elétrons absorvidos e raios X gerados pela interação de feixes de elétrons com a matéria.
O canhão de elétrons e o condensador do microscópio eletrônico de varredura são aproximadamente os mesmos do microscópio eletrônico de transmissão, mas para tornar o feixe de elétrons mais fino, uma lente objetiva e um astigmático são adicionados sob o condensador e dois conjuntos de elétrons de varredura que são perpendiculares entre si são instalados dentro da lente objetiva. bobina. A câmara de amostra sob a lente objetiva abriga o estágio de amostra que pode ser movido, girado e inclinado.
