Kính hiển vi điện tử
I. Lịch sử:
Năm 1924 nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie đưa ra giả thuyết về tính chất sóng của vật chất ,các hạt vi mô có động lượng p=mv thì ứng với bước sóng l = h/p. Các thí nghiệm sau đó đã cho thấy quả thật đúng là điện tử có tính chất sóng. Vậy thay cho ánh sáng ,dùng tia điện tử để làm kính hiển vi. Đây là một bước đột phá lớn bởi vì dùng tia điện tử thì độ phân giải sẽ không bị hạn chế do bước sóng dài như ánh sáng, điện tử có bước sóng nhỏ hơn rất nhiều.Trên ý tưởng đó, năm 1932 kính hiển vi điện tử đầu tiên được chế tạo bởi nhà vật lý người Đức Emst Ruska với độ phóng đại khoảng 400 lần, năm 1986 ông được nhận giải Noben cho phát minh này .Mặc dù kính hiển vi điện tử ngày nay với độ phóng đại lên đến vài triệu lần nhưng về nguyên tắc cũng giống như của Emst Ruska. Nguồn sáng được thay thế bằng chùm điện tử, còn về thấu kính thì dùng từ trường để lái tia, tức là dùng thâu kính điện từ
II. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
http://farm2.static.flickr.com/1308/...9faf07.jpg?v=0
1. Cấu tạo:
http://farm2.static.flickr.com/1132/...c0e4d2.jpg?v=0
Qua mô hình chúng ta thấy kính hiển vi điện tử truyền qua và kính hiển vi quang học tuy về cơ bản khác nhau nhưng có điểm tương đồng là khuếch đại bằng thấu kính. Thấu kính được cấu tạo từ cuộn dây điện có lõi sắt non, có hình dạng đặc biệt. Dòng điện chạy trong cuộn dây lớn hay sẽ làm cho cuộn dây nhiễm từ nhiều hay ít do đó làm thay đổi độ tụ của chùm tia điện tử.
Thay cho bóng đèn tạo ra nguồn sáng, kính hiển vi điện tử sử dụng nguồn phóng điện tử tạo ra tia điện tử và được tăng tốc với hiệu điện thế cao (50-100kV). Kính hiển vi điện tử truyền qua, từ nơi phát điện tử qua thấu kính,đến nơi tạo ảnh cuối cùng đều phải đảm bảo chân không cao để tránh sự tán xạ của tia điện tử
Năng suất phân giải của kính hiển vi điện tử truyền qua rất cao so với kính hiển vi quang học, loại trung bình khoảng 1nm, loại tốt khoảng 0,1nm
2. Nguyên lý
Chùm tia điện tử được tăng tốc bởi hiệu điện thế cao sau đó hội tụ lên vật mẫu bằng thấu kính từ. Chùm tia điện tử như là chùm sóng đơn sắc, còn mẫu như là cách tử không gian ba chiều, do hiện tượng nhiễu xạ điện tử, tia điện tử sau khi truyền qua vật mẫu mang theo những thông tin về cấu trúc, trật tự sắp xếp của các nguyên tử trong vật mẫu. Thông tin hay ảnh này được khuếch đại bởi những thấu kính đặc nối tiếp nhau cho đến khi nó được ghi nhận bằng màn huỳnh quang,kính ảnh hoặc bộ cảm biến quang học như CCD(charge -coupled device). Ảnh CCD có thể quang sát trực tiếp trên màn hình hiển thị hoăc lưu trữ vào máy tính
3. Nhược điểm
Mẫu nghiên cứu phải rất mỏng vào khoảng chục nanomet nếu không ảnh sẽ không trung thực ,bị giả tạo
Mẫu nghiên cứu phải khô và được đặc trong chân không cao
Vì đây là phương pháp tạo ảnh phóng đại bằng thấu kính nên ảnh tao ra là ảnh hai chiều, ảnh phóng đại rất tốt về chiều ngang, dọc nhưng không cho biết chính xác về chiều cao trên mẫu
Việt khó tăng độ phân giải không phải do bước sóng mà là do khó chế tạo hoàn chỉnh thấu kính điện từ
5. Nhận xét
http://farm2.static.flickr.com/1115/...878b0a.jpg?v=0
Ngày nay kính hiển vi điện tử đươc cải tiến rất nhiều. Để khắc phuc sắc sai và cầu sai của thấu kính, người ta chế tạo ra bộ điều chỉnh quan sai để tăng độ phân giải cho kính hiển vi. Phần mềm hiệu chỉnh cho ta hình ảnh với độ phân giải rất lớn, khoảng vài chục triệu lần
III. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
http://farm2.static.flickr.com/1148/...69a19a.jpg?v=0
1. Sự phát triển:
Kính hiển vi điện tử quét ra đời gần như cùng lúc với kính hiển vi điện tử truyền qua. Tuy nhiên kính hiển vi điện tử quét ra đời thời đó còn thô sơ, độ phân giải thấp, chỉ là một thiết bi chế thử trong phòng thí nghiệm cho đến những năm 60. Sau đó những chiết kính hiển vi loại tốt bắt đầu ra đời. Loại kính hiển vi này càng tỏ ra có nhiều ưu điểm hơn kính hiển vi điện tử truyền qua. Nhờ kỹ thuật phát triển, kính hiển vi điện tử quét được chế tạo ngày càng chính xác hơn có nhiều ưu điểm hơn nên ngày nay kính hiền vi điện tử được sử dụng hầu hết trong các ngành khoa hoc như :y hoc, vật liệu học, địa chất học, khoa học hình sự v.v…
2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
http://farm2.static.flickr.com/1047/...12f5e3.jpg?v=0
Đầu tiên một súng phát ra điện tử và và điện tử được tăng tốc bằng hiệu điện thế 5- 30kV chiếu thẳng vào bề mặt mẫu. Trên đường đi người ta dùng thấu kính điện từ để tập trung chùm tia điện tử. Một bộ phận rất quang trọng đó là bộ phát quét,tạo ra những điện thế răng cưa dẫn đến các cuộn dây, điều khiển tia điện tử quét trên bề mặt mẫu. Bộ phát quét này đồng thời điều khiển tia điện tử ở đèn hình ống (CTR) quét trên màn hình để đảm bảo tính đồng bộ với việc quét trên mẫu
Để tạo ảnh phóng đại,người ta bố trí detector để thu tín hiệu ra từ mẫu. Điện tử thoát ra từ vật mẫu ít hay nhiều phụ thuộc vào bề mặt mẫu, chỗ lồi điện tử phát ra nhiều hơn chỗ lõm tương ứng với độ sáng tối trên màn hình
Độ phóng đại = D/d trong đó d là cạnh hình vuông của vật quét, D là cạnh của màn hình CRT
3. Ưu điểm
Độ phân giải cũng xấp xĩ với kính hiển vi điện tử truyền qua
Làm mẫu dễ dàng không phải dát mỏng
Tạo ảnh phóng đại bằng phương pháp quét, không dùng thấu kính nên ảnh có chiều sâu tốt
Nghiên cứu sâu về bề mặt vật rắn ta thấy khi chiếu chùm tia điện tử vào bề mặt vật rắn thì ta sẽ thu được các điện tử thứ cấp(các điện tử bị bức ra), điện tử tán xạ ngược, tia X tia hồng ngoại v.v.. Mỗi loại cho ta nhưng thông tin khác nhau về vật rắn. Bằng cách bố trí detector để thu các tín hiệu khác nhau ta được các kiểu chụp khác nhau về vật mẫu, mỗi kiểu ảnh cho biết một sô đặc điểm của mẫu
Tuy nhiên kính hiển vi điện tử quét cũng co nhược điểm như vật mẫu quang sát phải đưa vào môi trường chân không, ảnh tuy có độ sâu nhưng vẫn là ảnh hai chiều và đặc biệt chỉ quang sát được bề mặt
http://farm2.static.flickr.com/1135/...eaeb05.jpg?v=0
IV. Kết luận
Kính hiển vi điện tử ra đời đã phá bỏ giới hạn của kính hiển vi quang học. Với độ phân giải rất cao kính hiển điện tử đã cho ta thấy cấu trúc của thế giới nhỏ bé. Các nhà sinh vật đã thấy được cấu trúc chi tiết của tế bào, những loại siêu vi trùng gây ra dịch bệnh … Từ đó đã mở ra rất nhiều điều kỳ diệu, nhiều ngành khoa học mới ra đời. Tuy nhiên cho đến bấy giờ hình ảnh nguyên tử vẫn còn nằm trong sự suy đoán của các nhà khoa học và người ta vẫn tiếp tục chế tạo ra những kính hiển vi khác có độ phân giải ngày càng cao hơn