Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

103 24.2 Untersuchung von Mikro- und Nanostrukturen In der Biophysik sind häufig neben Informationen über die Oberfläche von Objekten (zB Zellen) auch solche über Strukturen im Inneren durchsichtiger Objekte erwünscht. Um solche sogenannte Tiefenin- formationen zu erhalten, benützt man die konfokale Mikroskopie . Dabei wird die Probe im Auflicht durch das Objektiv so beleuchtet, dass sich das Licht im Brennpunkt des Objektives sammelt. Durch Verstellen des Objektivs lassen sich daher Zonen in verschiede- nen Tiefen der Probe darstellen. Neben Lichtmikroskopen finden in der Mikro- und Na- notechnik sehr häufig auch Elektronenmikroskope Verwendung. Dabei werden im Teilchenbild gespro- chen die Photonen durch Elektronen ersetzt, im Wel- lenbild gesprochen verwendet man statt Lichtwellen dieMateriewellen von Elektronen.Transmissionselekt- ronenmikroskope sind analog zu gewöhnlichen Licht- mikroskopen aufgebaut. Allerdings verwendet man statt einer Optik aus Glaslinsen magnetische Linsen. A1 Gib an, welche Kraft man in magnetischen Linsen zur Ablenkung der Elektronen verwendet? A2 Wiederhole den Zusammenhang zwischen der Wellenlänge von Materiewellen und dem Impuls der zugehörigen Teilchen! A3 Berechne die Wellenlänge der Elektronenstrah- lung bei einer Beschleunigungspannung von 100 kV und vergleiche sie mit der Wellenlänge sichtbaren Lichtes! Was lässt dies hinsichtlich des Auflösungs- vermögens von Transmissionelektronenmikroskopen erwarten? A4 Heute lassen sich mit Transmissionselektronenmi- kroskopen bereits Abstände im Zehntel nm Bereich messen. Ein Problem in diesem Zusammenhang ist aber, dass selbst beim Durchstrahlen sehr dünner Pro- ben die Elektronenenergie stark abnimmt. Überlege die Auswirkungen dieser Energieabnahme auf die Wellenlänge und damit auf das Auflösungsvermö- gen! Derzeit kann man in Mikroskopen praktisch nicht mit Spannungen über 1 MV arbeiten. Als Folge davon sind nur sehr dünne Objekte im Transmissionsverfah- ren mit Elektronenmikroskopen untersuchbar. Dabei muss man sich aber bewusst sein, dass die Eigen- schaften sehr dünner Substrate eines Stoffes wesent- lich von den Eigenschaften ausgedehnter Objekte des selben Stoffes abweichen können. Als weitere Möglichkeit der Elektronenmikroskopie bietet sich die Rasterelektronenmikroskopie an. Dabei wird ein Elektronenstrahl magnetisch auf ei- nen Fokus mit etwa 10 nm Durchmesser gebündelt. Die vom Objekt zurückgestreuten Elektronen werden durch Detektoren (Elektronenvervielfacher) aufge- fangen und bewirken ein elektrisches Signal, dessen Stärke von der Zahl der rückgestreuten Elektronen abhängt. Die Stärke des elektrischen Signals wird in Helligkeit eines Bildpunktes auf einem Leuchtschirm übersetzt. Der Fokus wird zeilenförmig über die Ober- fläche des Objektes geführt (Rasterung). Aus den einzelnen Bildpunkten entsteht das Bild des Objekts. Mit heutigen Rasterlektronenmikroskopen lassen sich Strukturen bis etwa 2 nm auflösen. A5 Überlege, welche Art von Elektronenmikroskop (Transmissions- oder Rasterelektronenmikroskop) man wohl zur Herstellung der obigen Abbildung ver- wendet hat? Abb. 103.1 Konfokales Mikroskop Fotodetektor Lichtquelle Blende Blende Strahlenteiler Linse Fokus-Ebene Abb. 103.2 Fliegenauge BW8/S36 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv