เหตุใดความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง
กำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมีขนาดเล็กกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงสามารถสังเกตได้เฉพาะโครงสร้างระดับจุลภาค เช่น เซลล์และคลอโรพลาสต์ ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถสังเกตโครงสร้างระดับต่ำกว่ากล้องจุลทรรศน์ กล่าวคือ โครงสร้างของออร์แกเนลล์ ไวรัส แบคทีเรีย ฯลฯ
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฉายลำแสงอิเล็กตรอนที่เร่งและรวมตัวกันบนตัวอย่างที่บางมาก โดยที่อิเล็กตรอนชนกับอะตอมในตัวอย่างเพื่อเปลี่ยนทิศทาง ส่งผลให้เกิดการกระเจิงเชิงมุมสามมิติ ขนาดของมุมกระเจิงสัมพันธ์กับความหนาแน่นและความหนาของตัวอย่าง ดังนั้นจึงสามารถสร้างภาพที่มีเฉดสีต่างกันได้ ภาพจะแสดงบนอุปกรณ์สร้างภาพ (เช่น หน้าจอฟลูออเรสเซนต์ ฟิล์ม และส่วนประกอบที่ไวต่อแสง) หลังจากการขยายและโฟกัส
เนื่องจากความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนของ de Broglie ที่สั้นมาก ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านจึงสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงอย่างมาก โดยสูงถึง 0.1-0.2 นาโนเมตร และกำลังขยายตั้งแต่หมื่นถึงล้าน ครั้ง ดังนั้นการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านจึงสามารถใช้ในการสังเกตโครงสร้างเล็กๆ น้อยๆ ของตัวอย่างได้ และแม้กระทั่งการสังเกตโครงสร้างของอะตอมเพียงแถวเดียวเท่านั้น ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าโครงสร้างที่เล็กที่สุดที่สังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงหลายหมื่นเท่า TEM เป็นวิธีการวิเคราะห์ที่สำคัญในสาขาวิทยาศาสตร์หลายสาขาที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์และชีววิทยา เช่น การวิจัยโรคมะเร็ง ไวรัสวิทยา วัสดุศาสตร์ ตลอดจนนาโนเทคโนโลยี การวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ และอื่นๆ
ความละเอียดสูงสุดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง
200 นาโนเมตร ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (ที่มีความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้ตั้งแต่ 770 ถึง 390 นาโนเมตร) มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับช่วงโฟกัสของลำแสงส่องสว่าง ในทศวรรษที่ 1870 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Ernst Abbe ค้นพบ
แสงที่มองเห็นได้เนื่องจากการเลี้ยวเบนของแสง ทำให้ลำแสงไม่สามารถโฟกัสได้ไม่จำกัด ตามกฎของ Abbe นี้ เส้นผ่านศูนย์กลางต่ำสุดสำหรับการโฟกัสแสงที่ตามองเห็นคือหนึ่งในสามของความยาวคลื่นของคลื่นแสง
นั่นคือ 200 นาโนเมตร เป็นเวลากว่าศตวรรษที่ "ขีดจำกัด Abbe" ที่ 200 นาโนเมตรถือเป็นขีดจำกัดความละเอียดทางทฤษฎีของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง และจะต้องสังเกตวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าขนาดนี้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนหรือกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนอุโมงค์
รูรับแสงตัวเลขหรือที่เรียกว่าอัตราส่วนรูรับแสง เรียกโดยย่อว่า NA หรือ A เป็นพารามิเตอร์หลักของเลนส์ใกล้วัตถุและคอนเดนเซอร์ และเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์ ค่ารูรับแสงตัวเลขของวัตถุแห้งคือ 0.05-0.95 และค่ารูรับแสงตัวเลขของวัตถุแช่น้ำมัน (น้ำมันซีดาร์) คือ 1.25
ระยะการทำงานหมายถึงระยะห่างจากเลนส์ด้านหน้าของเลนส์ใกล้วัตถุถึงกระจกครอบของชิ้นงานทดสอบเมื่อชิ้นงานที่สังเกตได้ชัดเจนที่สุด ระยะการทำงานของเลนส์ใกล้วัตถุสัมพันธ์กับทางยาวโฟกัส ยิ่งทางยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุยาวขึ้น กำลังขยายก็จะน้อยลง และระยะการทำงานก็จะยิ่งยาวขึ้น
หน้าที่ของเลนส์ใกล้วัตถุคือการขยายชิ้นงานเป็นครั้งแรก และเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดที่กำหนดประสิทธิภาพของกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งก็คือระดับความละเอียด ความละเอียดเรียกอีกอย่างว่าความละเอียดหรือกำลังการแก้ไข ขนาดความละเอียดแสดงเป็นค่าตัวเลขของระยะความละเอียด (ระยะห่างต่ำสุดระหว่างจุดวัตถุสองจุดที่สามารถแยกแยะได้)
ที่ระยะห่างที่ชัดเจน 25 ซม. วัตถุสองชิ้นที่มีระยะห่าง 0.073 มม. สามารถมองเห็นได้ชัดเจนด้วยตามนุษย์ปกติ ค่านี้ 0.073 มม. คือระยะความละเอียดของสายตามนุษย์ปกติ ยิ่งระยะความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์เล็กลง ความละเอียดก็จะยิ่งสูงขึ้นและมีประสิทธิภาพดีขึ้นเท่านั้น
กำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมีขนาดเล็กกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงสามารถสังเกตได้เฉพาะโครงสร้างระดับจุลภาค เช่น เซลล์และคลอโรพลาสต์ ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถสังเกตโครงสร้างระดับต่ำกว่ากล้องจุลทรรศน์ กล่าวคือ โครงสร้างของออร์แกเนลล์ ไวรัส แบคทีเรีย ฯลฯ
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฉายลำแสงอิเล็กตรอนที่เร่งและรวมตัวกันบนตัวอย่างที่บางมาก โดยที่อิเล็กตรอนชนกับอะตอมในตัวอย่างเพื่อเปลี่ยนทิศทาง ส่งผลให้เกิดการกระเจิงเชิงมุมสามมิติ ขนาดของมุมกระเจิงสัมพันธ์กับความหนาแน่นและความหนาของตัวอย่าง ดังนั้นจึงสามารถสร้างภาพที่มีเฉดสีต่างกันได้ ภาพจะแสดงบนอุปกรณ์สร้างภาพ (เช่น หน้าจอฟลูออเรสเซนต์ ฟิล์ม และส่วนประกอบที่ไวต่อแสง) หลังจากการขยายและโฟกัส
เนื่องจากความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนของ de Broglie ที่สั้นมาก ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านจึงสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงอย่างมาก โดยสูงถึง 0.1-0.2 นาโนเมตร และกำลังขยายตั้งแต่หมื่นถึงล้าน ครั้ง ดังนั้นการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านจึงสามารถใช้ในการสังเกตโครงสร้างเล็กๆ น้อยๆ ของตัวอย่างได้ และแม้กระทั่งการสังเกตโครงสร้างของอะตอมเพียงแถวเดียวเท่านั้น ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าโครงสร้างที่เล็กที่สุดที่สังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงหลายหมื่นเท่า TEM เป็นวิธีการวิเคราะห์ที่สำคัญในสาขาวิทยาศาสตร์หลายสาขาที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์และชีววิทยา เช่น การวิจัยโรคมะเร็ง ไวรัสวิทยา วัสดุศาสตร์ ตลอดจนนาโนเทคโนโลยี การวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ และอื่นๆ
ความละเอียดสูงสุดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง
200 นาโนเมตร ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (ที่มีความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้ตั้งแต่ 770 ถึง 390 นาโนเมตร) มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับช่วงโฟกัสของลำแสงส่องสว่าง ในทศวรรษที่ 1870 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Ernst Abbe ค้นพบ
แสงที่มองเห็นได้เนื่องจากการเลี้ยวเบนของแสง ทำให้ลำแสงไม่สามารถโฟกัสได้ไม่จำกัด ตามกฎของ Abbe นี้ เส้นผ่านศูนย์กลางต่ำสุดสำหรับการโฟกัสแสงที่ตามองเห็นคือหนึ่งในสามของความยาวคลื่นของคลื่นแสง
นั่นคือ 200 นาโนเมตร เป็นเวลากว่าศตวรรษที่ "ขีดจำกัด Abbe" ที่ 200 นาโนเมตรถือเป็นขีดจำกัดความละเอียดทางทฤษฎีของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง และจะต้องสังเกตวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าขนาดนี้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนหรือกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนอุโมงค์
รูรับแสงตัวเลขหรือที่เรียกว่าอัตราส่วนรูรับแสง เรียกโดยย่อว่า NA หรือ A เป็นพารามิเตอร์หลักของเลนส์ใกล้วัตถุและคอนเดนเซอร์ และเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์ ค่ารูรับแสงตัวเลขของวัตถุแห้งคือ 0.05-0.95 และค่ารูรับแสงตัวเลขของวัตถุแช่น้ำมัน (น้ำมันซีดาร์) คือ 1.25
ระยะการทำงานหมายถึงระยะห่างจากเลนส์ด้านหน้าของเลนส์ใกล้วัตถุถึงกระจกครอบของชิ้นงานทดสอบเมื่อชิ้นงานที่สังเกตได้ชัดเจนที่สุด ระยะการทำงานของเลนส์ใกล้วัตถุสัมพันธ์กับทางยาวโฟกัส ยิ่งทางยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุยาวขึ้น กำลังขยายก็จะน้อยลง และระยะการทำงานก็จะยิ่งยาวขึ้น
หน้าที่ของเลนส์ใกล้วัตถุคือการขยายชิ้นงานเป็นครั้งแรก และเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดที่กำหนดประสิทธิภาพของกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งก็คือระดับความละเอียด ความละเอียดเรียกอีกอย่างว่าความละเอียดหรือกำลังการแก้ไข ขนาดความละเอียดแสดงเป็นค่าตัวเลขของระยะความละเอียด (ระยะห่างต่ำสุดระหว่างจุดวัตถุสองจุดที่สามารถแยกแยะได้)
ที่ระยะห่างที่ชัดเจน 25 ซม. วัตถุสองชิ้นที่มีระยะห่าง 0.073 มม. สามารถมองเห็นได้ชัดเจนด้วยตามนุษย์ปกติ ค่านี้ 0.073 มม. คือระยะความละเอียดของสายตามนุษย์ปกติ ยิ่งระยะความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์เล็กลง ความละเอียดก็จะยิ่งสูงขึ้นและมีประสิทธิภาพดีขึ้นเท่านั้น
