Grundlagen der Licht- und Elektronenmikroskopie (eBook)

Danksagung11
Vorwort und Einführung15
I Von der Strahlenoptik zum einfachen Mikroskop19
1 Optische Grundlagen – Strahlenoptik 20
1.1 Was ist Licht? – Ein historischer Überblick20
1.2 Lichtquellen: Selbst- und Nichtselbstleuchter26
1.2.1 Wie entsteht Licht?26
1.3 Begriffe der Strahlenoptik27
1.3.1 Lichtstrahl und Strahlenbündel27
1.3.2 Punktlichtquellen zur einfachen grafischen Darstellung von Strahlengängen28
1.4 Axiome der Strahlenoptik29
1.4.1 Erstes Axiom der Strahlenoptik30
1.4.2 Zweites Axiom der Strahlenoptik30
1.4.3 Drittes Axiom der Strahlenoptik36
1.4.4 Viertes Axiom der Strahlenoptik36
1.5 Brechung des Lichts beim Durchgang durch verschiedene optische Bauelemente 37
1.5.1 Planparallele Platte37
1.5.2 Brechung an kugelförmigen Grenzflächen 38
1.5.3 Brechung an Linsen 40
1.6 Wie entstehen Bilder?45
1.6.1 Abbildungen durch Linsen45
1.6.2 Abbildungen durch Prismen55
1.6.3 Abbildungen durch Spiegel 57
1.7 Zusammenfassung58
2 Auge, Lupe und einfaches Mikroskop59
2.1 Das Auge 59
2.1.1 Der Aufbau des menschlichen Auges 59
2.1.2 Netzhaut 60
2.1.3 Dioptrik des Auges62
2.2 Optische Instrumente und Vergrößerung72
2.2.1 Lupe73
2.2.2 Vergrößerungsglas, Lupe und einfaches Mikroskop 75
2.3 Zusammenfassung80
II Das zusammengesetzte Mikroskop81
3 Allgemeines zum Mikroskop 82
3.1 Der Strahlengang eines Mikroskops82
3.2 Die Vergrößerung durch das Mikroskop 85
3.3 Das zusammengesetzte und das einfache Mikroskop im Vergleich 89
3.4 Zusammenfassung91
4 Der Aufbau eines Mikroskops92
4.1 Allgemeiner Aufbau eines Mikroskops 92
4.2 Die mechanischen Bestandteile eines Mikroskops 92
4.2.1 Stative92
4.2.2 Mikroskoptuben 96
4.2.3 Objekttische100
4.3 Zusammenfassung103
5 Mikroskopobjektive104
5.1 Objektive mit endlicher und unendlicher Bildweite 104
5.1.1 Objektive mit endlicher Bildweite104
5.1.2 Objektive mit unendlicher Bildweite 106
5.2 Vergrößerung und Abbildungsmaßstab107
5.3 Die numerische Apertur110
5.3.1 Bedeutung der numerischen Apertur111
5.3.2 Numerische Apertur und Öffnungswinkel112
5.3.3 Numerische Apertur und Immersion 113
5.4 Homogene Immersion114
5.5 Immersionsmittel und -objektive 116
5.5.1 Immersionsmittel 116
5.5.2 Anwendung eines Immersionsobjektivs118
5.6 Numerische Apertur und förderliche Vergrößerung119
5.7 Abbildungsfehler und deren Korrektion120
5.7.1 Abbildungsfehler120
5.7.2 Monochromatische Aberrationen120
5.7.3 Chromatische Aberration 124
5.8 Korrektionsklassen oder Objektivklassen125
5.8.1 Der Achromat125
5.8.2 Fluoritobjektive oder Semiapochromate 127
5.8.3 Der Apochromat 127
5.8.4 Planobjektiv129
5.9 Spezialobjektive 130
5.9.1 Objektive mit Quarzglas130
5.9.2 Phasenkontrastobjektive131
5.9.3 Objektive für die Polarisationsmikroskopie131
5.10 Deckglasdicke131
5.11 Korrektionsring bei Objektiven 133
5.12 Federfassung zum Schutz der Frontlinse133
5.13 Objektive mit Irisblende134
5.14 Zusammenfassung136
6 Mikroskopokulare137
6.1 Allgemeines zum Okular137
6.2 Okulartypen 141
6.3 Okularangaben und ihre Bedeutung 144
6.3.1 Vergrößerung144
6.3.2 Sehfeldzahl144
6.3.3 Großfeld- oder Weitwinkelokulare 147
6.3.4 Dioptrienausgleich147
6.3.5 Brillenträgerokular147
6.4 Okulare für Demonstrations-, Zähl- oder Messzwecke 148
6.5 Zusammenfassung152
7 Die Beleuchtungseinrichtung eines Mikroskops 153
7.1 Die Beleuchtung 153
7.2 Lichtquellen und ihre optimale Einstellung154
7.3 Der Kondensor155
7.3.1 Allgemeiner Aufbau eines Kondensors 155
7.3.2 Funktion des Kondensors: Ausleuchtung des Präparats 155
7.3.3 Funktion des Kondensors: Beleuchtungsapertur157
7.3.4 Einstellung der Kondensorblende158
7.3.5 Bauformen von Kondensoren161
7.4 Mikroskopbeleuchtungen 163
7.4.1 Die kritische Beleuchtung163
7.4.2 Die Köhlersche Beleuchtung164
7.5 Zusammenfassung174
8 Einteilung der Mikroskope175
8.1 Kursmikroskope 175
8.2 Routine- oder Labormikroskope178
8.3 Forschungsmikroskope oder Universalmikroskope178
8.4 Zusammenfassung180
9 Stereomikroskope und Makroskope181
9.1 Stereomikroskope 181
9.1.1 Greenough-Systeme oder Greenough-Mikroskope183
9.1.2 Teleskop- oder Fernrohrsysteme 184
9.1.3 Beleuchtung 185
9.1.4 Anwendungsgebiete185
9.2 Makroskope186
9.3 Zusammenfassung187
III Theorie der mikroskopischen Abbildung189
10 Grundlagen der Wellenoptik190
10.1 Der dunkle Raum: Warum die Wellenoptik zum Verständnis des Mikroskops so bedeutend ist 190
10.2 Optische Beugung und Interferenz194
10.3 Schwingungen198
10.4 Wellen 199
10.4.1 Mathematische Beschreibung von Wellen 201
10.4.2 Wasserwellen als Modell für Transversalwellen 203
10.4.3 Ausbreitung von Lichtwellen 204
10.5 Interferenz von Wellen 205
10.5.1 Wasserwellen205
10.5.2 Lichtwellen206
10.6 Modelle zur Lichtwellenausbreitung: Huygens-Fresnelsches Prinzip und Fresnelsche Beugung 209
10.7 Fresnelsche und Fraunhofersche Beugungen218
10.8 Zusammenfassung220
11 Beugung im Mikroskop221
11.1 Beobachtung von Beugungsbildern222
11.1.1 Die Beugung von Licht in der Fraunhofer-Versuchsanordnung222
11.1.2 Die Beugung von Licht im Abbeschen Diffraktionsapparat223
11.1.3 Möglichkeiten zur Beobachtung des primären Beugungsbildes im normalen, aufrechten Mikroskop224
11.2 Einfachspalt, Doppelspalt und optische Gitter 225
11.2.1 Di Beugung von Licht am Einfachspalt226
11.2.2 Beugung am Doppelspalt und am Strichgitter 230
11.2.3 Kreuzgitter234
11.3 Mikroskopische Präparate als Beugungsgitter 236
11.4 Bedeutung der Lichtbeugung für die Bild-entstehung: Ausblenden der Nebenmaxima 237
11.5 Zusammenfassung239
12 Die Theorie der Bildentstehung nach Abbe240
12.1 Die Abbesche Theorie der mikroskopischen Abbildung 241
12.2 Auflösungsvermögen eines Mikroskops nach Abbe244
12.3 Abbe-Formel für das Auflösungsvermögen eines Mikroskops249
12.4 Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops (Abbe-Limit)252
12.5 Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops nach von Helmholtz 254
12.6 Auflösungsvermögen und förderliche Vergrößerung254
12.7 Theorie der mikroskopischen Abbildung nach Abbe und der dunkle Raum 258
12.8 Ausblick258
12.9 Zusammenfassung259
IV Elektronenmikroskopische Verfahren261
13 Das Transmissionselektronen-mikroskop262
13.1 Elektronen zur Abbildung von Strukturen prägen die Vorstellungswelt der Biologen263
13.2 Die Geschichte der Elektronenmikroskopie beginnt mit dem Transmissionselektronen-mikroskop 266
13.3 Aufbau und Funktionsweise eines Transmissionselektronenmikroskops274
13.4 Korrektoren zur Minimierung von Linsenfehlern im TEM279
13.5 Bildentstehung im TEM 281
13.6 Möglichkeiten eines Energiefilters im TEM284
13.7 Probenpräparation für TEM289
13.7.1 Objektträger für Untersuchungen im TEM 291
13.7.2 Präparation von Einzelpartikeln für TEM292
13.7.3 Gibt es eine ideale Fixierungsmethode?293
13.7.4 Herstellung von Proben-Dünnschnitten296
13.7.5 Kontrastierung der Proben298
13.7.6 Probenpräparation für analytische EFTEM-Methoden298
13.8 TEM-Anwendungen in den Lebenswissenschaften298
13.8.1 Visualisierung von Ultrastrukturen und subzellulärer Lokalisation von Molekülen im TEM298
13.8.2 Analyse von biologischen Proben durch Kryo-TEM299
13.8.3 Einsatz des TEM in der Strukturbiologie 300
13.8.4 3D im TEM – TEM-Tomographie 301
13.9 Die Interpretation von TEM Aufnahmen 303
13.10 Limits und Trends in der Transmissionselektronenmikroskopie304
13.11 Zusammenfassung305
14 Das Rasterelektronenmikroskop307
14.1 Rasterelektronenmikroskopie – Fortsetzungsreise ins Reich der kleinen Dinge307
14.1.1 Allgemeines Funktionsprinzip des REM308
14.1.2 Die Geschichte der Rasterelektronenmikroskopie 308
14.2 Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops313
14.2.1 Elektronenstrahlerzeugende Systeme und Elektronenemitter313
14.2.2 Linsen322
14.2.3 Rastereinheit326
14.3 Bildentstehung im REM: Wechselwirkungen zwischen Elektronenstrahl und Probe und ihr Informationsgehalt328
14.4 Detektion und Kontraste337
14.4.1 Everhart-Thornley-Detektor (ETD)338
14.4.2 Dedizierte Rückstreuelektronendetektoren341
14.4.3 Spezielle Detektoren und Abbildungsverfahren 343
14.4.4 Die Bedeutung von Kontrast, Signal und Rauschen 348
14.5 Wie kommt man zu einem guten Bild? – Probenpräparation und Einstellungen am REM 350
14.6 Trends in der Rasterelektronenmikroskopie 354
14.7 Zusammenfassung357
Literaturverzeichnis 359
Kapitel 1–12 359
Kapitel 13365
Kapitel 14368
Anhang 371
Symbole und Konstanten 371
Grundgrößen und abgeleitete Größen 372
Brechungsindizes wichtiger Immersionsmittel und Luft372
Formeln373
Konventionen374
Quellennachweis375
Tabellen375
Abbildungen 375
Sachverzeichnis381
Autorenverzeichnis396