Şimdiye dek gördüğünüz en küçük şey nedir? Bir saç teli, bir toplu iğnenin ucu ya da bir toz zerresi olabilir mi? Eğer gözlerimizi dünyanın en güçlü mikroskoplarıyla takas edebilseydik, bakteriler, virüsler, moleküller ya da kristal yapılara kadar 100 milyon kat daha küçük şeyleri görmemiz mümkün olabilirdi. Sıradan bir okul laboratuvarında bulabileceğimiz optik temelli mikroskoplar ile böylesine detaylı görebilmek pek de mümkün olmaz. Optik mikroskoplarda kullanılan ışık hüzmesi yerine elektron mikrskoplarında elektron demeti kullanılarak nano boyutlarda görüntü elde edilebiliyor.
Mikroskop denildiğinde her ne kadar akla laboratuvarlarda kullandığımız aletler gelse de, insan gözü de hassas ayarlı doğal bir mikroskoptur. Uzaktaki cisimler gözümüze küçük görünürler. Cisimler yaklaştıkça ayrıntılar daha iyi seçilmeye başlanır. Göz, sonsuz bir uyum özelliğine sahip olsaydı mikroskoplara ihtiyaç duymayabilirdik.
Etrafımızdaki cisimleri Güneş ya da masaüstü lambası gibi bir ışık kaynağından yayılan ışınları yansıtmaları sebebiyle görürüz. Aslında ışığın doğasını ve tam olarak ne olduğunu kimse bilmiyor. Ancak bilim insanları ışığın iki farklı davranışı olduğu konusunda hemfikirler. Dalga-parçacık ikilemi adı verilen bu teorinin ana fikri aslında sanıldığı kadar karmaşık değildir. Işık bazen tıpkı deniz üzerinde peşpeşe ilerleyen dalgalar gibi, bazen de mikroskobik boyutlardaki bilyelerin bombardımanı gibi davranış sergiler. Şimdi bilgisayarınızın ekranında bu kelimeleri okuyabiliyorsanız, ışık parçacıklarının ekrandan gözlerinize doğru bir kütle içinde akışının gerçekleşmesinden dolayıdır. Elektromanyetik enerjiyle yüklü paketler halinde dolaşan bu ışık parçacıklarına ise foton adını veriyoruz.
Fotonlardan daha büyük parçacıklara bakmak isterseniz, fotonlar aracılığıyla ya da optik mikroskoplarla gözlemlemek daha faydalı olabilir. Ancak fotonlardan daha küçük yapıları veya daha küçük parçacıkları gözlemlemek istersek fotonlar aracılığıyla iyi sonuçlar alamayacağımız için devreye elektron mikroskopları girer.
İşinin uzmanı bir ahşap oymacısı olduğunuzu ve mobilyalarınızın dünyaca tanınmış olduğunu hayal edin. Çalışmalarınızı güzel ve özenle yapabilmeniz için keskin ve kullanacağınız modele göre daha küçük uçları olan aletleri tercih edersiniz. Sahip olduğunuz aletler balyoz ya da kürek gibi malzemeler olsaydı, ince işçilikli bir ahşap oyması elde edemezdiniz. Yani temel kural kullandığınız araçların, uyguladığınız modele göre daha küçük olmak zorunda olmasıdır. Aynısı bilim için de geçerli. Eğer fotonlardan daha küçük boyutlara ulaşmak istiyorsak, fotonlardan daha küçük parçacıklar kullanmamız gerekiyor.
Bildiğiniz gibi elektronlar atomun dış yörüngelerine tutunmuş halde bulunan yüklü parçacıklardır. Bir elektron mikroskobunda ise, optik mikroskoplardaki ışık hüzmesi, yerini elektron akışına bırakarak çok daha küçük yapıları gözlemlememize olanak sağlar.
Elektronlar, vakum tüpleri içerisinde tutulup elektrik alanları içinde hızlandırıldıkları için elektrik taşıyan bobin kullanarak, elektronları küçük bir alana odaklamak mümkün olmaktadır. İlk defa 1926 yılında Hans Busch tarafından elektromanyetik lens geliştirilmiş ve manyetik sargının, elektronları belli bir bölgede toplayabileceği gösterilmiştir. Yine ilk olarak pratik elektron mikroskobu tasarımı 1933 yılında Ernst Ruska tarafından yapılmıştır. Yapılan deneylerde art arda büyütme kullanarak daha ayrıntılı görüntüler elde edilmiş ve yerleştirilen boninlerle de nanometre ölçeklerine kadar büyütme mümkün kılınmıştır.
Elektron Mikroskopları Nasıl Çalışır?
Eğer daha önce sıradan bir optik mikroskop kullandıysanız, temel çalışma prensibini az çok bilirsiniz. Numunenin ince bir kesitinden yukarıya doğru yansıyan ışık ışınları ve büyütülmüş görüntüyü elde etmek için kullanılan lensler sayesinde istediğimiz görüntüyü elde etmiş oluruz (Yaklaşık olarak 10-200 kat büyütülmüş görüntü elde edilir). Yani sıradan bir mikroskobun çalışma prensibi 4 önemli esasa dayanır:
- Işık kaynağı
- İncelenecek numune
- Numuneyi daha büyük görmeyi sağlayacak lensler
- Numunenin gördüğümüz büyütülmüş görüntüsü.
Bir elektron mikroskobunda ise bu 4 esas biraz daha farklıdır:
- Işık kaynağının yerini çok hızlı hareket eden elektron demeti alır.
- Numune genellikle özel olarak hazırlanmalıdır. Aynı zamanda elektron, havada çok uzağa taşınamadığı için havanın dışarı pompalandığı özel bir vakum içerisinde tutulur.
- Lenslerin yerini elektron demetinin alacağı yol boyunca dizilmiş, bir dizi helezon şekilli elektromıknatıs almıştır. Sıradan bir optik mikroskopta cam mercekler ışığı bükerek içinden geçmesini sağlar ve bu şekilde büyüteç görevi görürler. Elektron mikroskobunda ise helezonik halkalar, lenslerin ışığı büktüğü gibi elektron demetini bükerler.
- Görüntü, mikrograf adı verilen fotoğraf gibi bir görüntü şeklinde ya da televizyon ekranındaki bir görüntü şeklinde oluşur.
Bir karıncanın taramalı elektron mikroskobu altındaki görüntüsü. Kaynak: courtesy of the U.S. Geological Survey
Dolayısıyla elektron mikroskopları bize kristal yapılardan bakteri ve virüslere, nanoparçacıklardan mikroorganizma ve hücrelere kadar hem inorganik hem de biyolojik örneklerin incelenmesinde bilim insanlarına büyük kolaylıklar sağlamaktadır.
Tuğba Yaşar
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar:
- http://www.explainthatstuff.com/electronmicroscopes.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_microscope
- https://www.jic.ac.uk/microscopy/intro_EM.html
Aktarımlı Elektron Mikroskobu başlıklı yazımız bu konuyla ilgili olarak ilginizi çekebilir:
http://www.kuark.org/2015/10/gecirimli-aktarimli-elektron-mikroskobu1/
