miércoles, 14 de marzo de 2007

El microscopio electrónico


Una de las aplicaciones más directas de la naturaleza ondulatoria de los electrones es el microscopio electrónico. Un microscopio, en general, consiste en “sondear” un muestra con unas partículas de prueba, y observar el resultado después de las interacciones.

Un microscopio óptico emplea fotones de luz visible, que tras interaccionar con la muestra, son recogidos por una lente, para ser finalmente detectados por el ojo de una persona. Existe sin embargo un límite de resolución, que está relacionado con la longitud de onda de la luz. Cuando los objetos son del tamaño de esta longitud de onda (400 nm para el azul, 700 para el rojo), la luz sufre fenómenos de difracción, y no es posible ver objetos nítidos.

Para mejorar la resolución es necesario por tanto disminuir la longitud de onda de la luz. Sin embargo, el ojo no es capaz de detectar luz por debajo de los 400 nm, se requieren fuentes de luz y detectores de específicos.

Sin embargo es posible iluminar la muestra no con luz, sino con electrones. Un electrón desplazándose a una velocidad constante posee una longitud de onda que está por debajo del angstrom (menor que el tamaño de un átomo). Si se analizan los electrones resultantes tras la interacción con la muestra, se puede generar una imagen de la muestra, se tiene un microscopio electrónico.



A partir de la relación de de Broglie, sabemos que la longitud de onda depende del momento cinético. Para comunicar este momento cinético, es necesario acelerar el electrón con un voltaje V, que le comunica una energía cinética:



Para un voltaje de aceleración de 1000 V,l=0.38 å. De esta forma, un microscopio electrónico permite una resolución muy superior a la de cualquier microscopio óptico.

Existen dos tipos de microscopios electrónicos:

TEM (Transmission Electron Microscope, microscopio de transmisión): Los electrones son transmitidos a través de la muestra, que es previamente adelgazada.

SEM (Scanning Electron Microscope, microscopio de barrido): El haz de electrones es “barrido” por toda la muestra. En cada punto, los electrones son absorbidos, y los átomos de la muestra emiten electrones secundarios. Al hacer el barrido, y recolectar estos electrones secundarios se genera la imagen de la muestra.

Microscopio Electrónico de Barrido (SEM)

Más adelante, profundizaremos en este tipo de microscopios. Por el momento me interesaba tan sólo señalar una aplicación directa de la naturaleza ondulatoria de partículas como electrones.

4 comentarios:

Ñbrevu dijo...

Un protón tiene más masa que un electrón, y por tanto a la misma velocidad tendría una longitud de onda menor... entonces, si hipotéticamente consiguiéramos realizar un microscópico protónico podríamos conseguir un nivel de detalle mucho mayor, ¿no? Claro que dada la estructura de un átomo no se puede seguir el mismo mecanismo.

Julio dijo...

Para hacerlo con protones deberías usar un gas de hidrógeno, con el peligro que eso supone (en grandes cantidades puede ser explosivo), e ionizarlo para arrancarle el electrón. Este dispositivo es mucho más complicado que un simple filamento caliente emitiendo electrones.

Luego está el tema de la resolución. La longitud de onda de un electrón es menor que la de un átomo. Con un TEM ya es posible ver la nube electrónica de un átomo (se ven "pelotas"), y es una región donde tampoco tiene sentido ver más detalle, ya que entramos en un dominio cuántico, donde la posición no está totalmente determinada. Bajar la resolución teórica con protones no va a resolver este problema: no vas a ver bolitas que representen protones y neutrones.

Aparte está el tema de que aunque el límite teórico lo da la longitud de onda, con partículas cargadas el límite práctico lo pone la repulsión eléctrica de las partículas del haz. Con un SEM, el haz de electrones no es posible reducirlo más allá de 10-50 nm. Que suele ser más que suficiente para ver lo que habitualmente se quiere ver.

Lo que sí existe es una técnica experimental llamada "dispersión de neutrones". Lanzas un haz de neutrones contra un sólido, y al no tener carga eléctrica, pueden acercarse hasta el núcleo atómico, e interaccionar con él (vía interacción fuerte, con gluones), y observar el resultado para deducir propiedades de los núcleos atómicos, y de la misma interacción fuerte.

Julio dijo...

También debes tener en cuenta que el protón, al tener más masa, al chocar con los átomos de la muestra (porque no deja de ser partícula), puede llegar a arrancar átomos de ésta... lo cual no es muy útil si quieres usar protones para obtener una imagen.

Eso sí, para otro tipo de análisis, vienen bastante bien los protones, e incluso núcleos atómicos sin electrones.

Ñbrevu dijo...

¡Qué interesante! Gracias.

Ya me imaginaba que utilizar una partícula tan masiva como un protón traería problemas; en lo que no había caído es en que el principio de incertidumbre puede inutilizar las mejoras de escala pasado un cierto umbral.