电子显微学

电子显微镜（英语：electron microscope，简称电镜或电显）是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。高速的电子的波长比可见光的波长短（波粒二象性），而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的分辨率（约0.2纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米）。电子显微镜的主要组成部分是：通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。使用这个像可以分析样本的晶体结构。在能量过滤穿透式电子显微镜（Energy Filtered Transmission Electron Microscopy，EFTEM）中人们测量电子通过样本时的速度改变。由此可以推测出样本的化学组成，比如化学元素在样本内的分布。假如观察的是透过样本的扫描电子的话，那么这种显微镜被称为扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）。冷冻电镜，就是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷金/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台（温度可至-185℃）即可进行观察。其中，快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态，减少冰晶的产生，从而不影响样品本身结构，冷冻传输系统保证在低温状态下对样品进行电镜观察。在使用透视电子显微镜观察生物样品前样品必须被预先处理。随不同研究要求的需要科学家使用不同的处理方法。使用透视电子显微镜观察金属前样本要被切成非常薄的薄片（约0.1毫米），然后使用电解擦亮继续使得金属变薄，最后在样本中心往往形成一个洞，电子可以在这个洞附近穿过那里非常薄的金属。无法使用电解擦亮的金属或不导电或导电性能不好的物质如硅等一般首先被用机械方式磨薄后使用离子打击的方法继续加工。为防止不导电的样品在扫描电子显微镜中积累静电它们的表面必须覆盖一层导电层。在电子显微镜中样本必须在真空中观察，因此无法观察活样本。在处理样本时可能会产生样本本来没有的结构，这加剧了此后分析图像的难度。由于透射电子显微镜只能观察非常薄的样本，而有可能物质表面的结构与物质内部的结构不同。此外电子束可能通过碰撞和加热破坏样本。还有，电子显微镜观察到的样本都是没有颜色的。现在的最新技术可以在电子显微镜中观察湿的样本和不涂导电层的样本（环境扫描电子显微镜，Environmental Scanning Electron Microscopes，ESEM）。假如事先对样本的情况比较清晰的话则可以基本上进行不破坏的观察。此外电子显微镜购买和维护的价格都比光学显微镜高出许多。1926年汉斯·布什研制了第一个磁力电子透镜。1931年恩斯特·鲁斯卡和马克斯·克诺尔研制了第一台透视电子显微镜。展示这台显微镜时使用的还不是透视的样本，而是一个金属格。1986年鲁斯卡为此获得诺贝尔物理学奖。1938年他在西门子公司研制了第一台商业电子显微镜。1934年锇酸被提议用来加强图像的对比度。1937年第一台扫描透射电子显微镜推出。一开始研制电子显微镜最主要的目的是显示在光学显微镜中无法分辨的病原体如病毒等。1949年可投射的金属薄片出现后材料学对电子显微镜的兴趣大增。1960年代透射电子显微镜的加速电压越来越高来透视越来越厚的物质。这个时期电子显微镜达到了可以分辨原子的能力。1980年代人们能够使用扫描电子显微镜观察湿样本。1990年代中电脑越来越多地用来分析电子显微镜的图像，同时使用电脑也可以控制越来越复杂的透镜系统，同时电子显微镜的操作越来越简单。