29
A
Quantumwereld 14.4 Golfkarakter van materiedeeltjes B e H E E R S E N
E L E K T RO N E N M I C RO S CO O P Bij beeldvorming door een lens gaat het erom dat de afbeelding scherp is, dat wil zeggen dat elk punt van het lichtgevende voorwerp wordt afgebeeld als een punt in het beeld. Alle lichtstralen vanuit een punt van het voorwerp moeten samen komen in één beeldpunt. Maar in feite is de beeldvorming door een lens een golfverschijnsel, waardoor elk punt van het voorwerp altijd wordt afgebeeld als een klein vlekje. Als verschillende details van het voorwerp te dicht bij elkaar liggen, overlappen de vlekjes elkaar en kun je die details niet meer onderscheiden. Hoe korter de golflengte van het gebruikte licht, des te kleiner zijn de vlekjes en des te meer details zijn er te onderscheiden. Om heel kleine details te kunnen afbeelden wordt dan ook geen elektromagnetische straling gebruikt, maar een bundel elektronen. Elektronen hebben een debrogliegolflengte die je kunt instellen met de versnelspanning over het elektronenkanon (zie hoofdstuk 12). Er zijn twee soorten elektronenmicroscopen: de Transmissie Elektronen Microscoop en de Scanning Elektronen Microscoop. De al in 1933 door Ernst Ruska ontwikkelde transmissie elektronen microscoop (TEM) werkt, net als een lichtmicroscoop, met straling die door het voorwerp heen gaat. Elke opening in het voorwerp verstrooid de elektronen door buiging, waarna de uitwaaierende bundel met elektrische en magnetische velden weer samengebracht wordt in één punt van het scherm. Zo wordt elke opening in het object op het scherm afgebeeld als een stip. Deze doorlichtmethode heeft echter als groot nadeel dat het object ‘doorzichtig’ moet zijn voor elektronen. Daarom wordt meestal de andere, later ontwikkelde, elektronenmicroscoop gebruikt. De scanning elektronen microscoop (SEM) tast het oppervlak van een voorwerp af (scant). Een SEM is wat beeldvorming betreft vergelijkbaar met een gewone lichtcamera. Met een elektronenkanon wordt een bundel elektronen op het te onderzoeken object afgevuurd. De elektronen kaatsen meer of minder tegen de details van het voorwerp, die daardoor nieuwe golfbronnetjes worden, net als bij licht. Die weerkaatste elektronen vanaf een voorwerpspunt worden met elektrische en magnetische velden weer samengebracht in één punt van de detector en vormen daar de afbeelding. De elektronenbundel is maar nauw en raakt slechts een deel van het te ‘bekijken’ oppervlak. Daarom beweegt de bundel over het oppervlak van het voorwerp en scant zo het hele voorwerp. In een SEM speelt de golflengte geen rol bij de afbeelding, zoals in een lichtmicroscoop, maar wel bij de reflectie van de elektronen aan de details van het voorwerp. Als de debroglie-golflengte van de elektronen groter is dan de afmeting van het detail, ‘spoelen de elektronengolven’ eromheen en is er weinig of geen reflectie. Hoe groter de versnelspanning, hoe kleiner de golflengte en des te beter is het oplossend vermogen van de SEM.
Figuur 59 Met een elektronenmicroscoop zijn kleinere details zichtbaar te maken dan met een lichtmicroscoop.
Figuur 60 Ernst Ruska lanceerde als student het idee dat met elektronen een veel gedetailleerder beeld van een voorwerp gemaakt kan worden dan met een optische microscoop. In 1933 bouwde hij de eerste elektronenmi croscoop en in 1986 ontving hij hiervoor de Nobelprijs.
elektronenkanon versterker
afbuigelektromagneten object
detector
Figuur 61 De detectoren in een SEM registreren elektronen die weerkaatsen aan het object.