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電子顕微鏡(でんしけんびきょう)とは、通常の顕微鏡(光学顕微鏡)では、観察したい対象に光(可視光線)をあてて拡大するのに対し、光の代わりに電子(電子線)をあてて拡大する顕微鏡のこと。電子顕微鏡は、物理学、化学、工学、生物学、医学(診断を含む)などの各分野で広く利用されている。

◆特徴

; 高分解能の観察が可能

: 光学顕微鏡の分解能(2つの点が「2つの点」として分離して観察される最短の距離)の限界は、可視光線の波長によって理論的に100ナノメートル程度に制限されており、それより小さな対象(例:ウイルス)を観察することはできない。一方、電子顕微鏡では、電子線の持つ波長が可視光線のものよりずっと短いので、理論的には分解能は0.1ナノメートル程度にもなる(透過型電子顕微鏡の場合)。光学顕微鏡では見ることのできない微細な対象を観察(観測)できるのが利点である。現在では、高分解能の電子顕微鏡を用いれば、原子レベルの大きさのものを観察(観測)可能である。

; 光学顕微鏡より高倍率?

: 一般に誤解されがちであるが、電子顕微鏡の光学顕微鏡に対する利点は倍率ではなく分解能である。光学顕微鏡でも写真を拡大したり、高倍率の接眼レンズや中間レンズを用いれば、理論的には無限に高倍率の画像は得られる。ただし分解能以下の対象はどれだけ倍率を上げても細部は見えてこないので無意味である。

; 大がかりな装置

: 電子線を発生させるのに用いられる電子銃の性質から、数キロボルトから数百キロボルト、時にはそれ以上の高電圧が必要である。また、安定した電子線のため、顕微鏡内は、真空に保たれていなければならない。したがって、高電圧の発生装置や真空ポンプ、顕微鏡自体は耐圧構造でなければならないなど、装置が大がかりになりがちで専用の部屋が必要なこともある。市販されている電子顕微鏡の価格も種類によって数百万円から数億円程度である。

◆種類

電子顕微鏡には、大きく分けて下記の2種類がある。

; 透過型電子顕微鏡 (Transmission Electron Microscope; TEM)

: 観察対象に電子線をあて、それを透過してきた電子を拡大して観察する顕微鏡。対象の構造や構成成分の違いにより、どのくらい電子線を透過させるかが異なるので、場所により透過してきた電子の密度が変わり、これが顕微鏡像となる。電磁コイルを用いて透過電子線を拡大し、電子線により光る蛍光板にあてて観察したり、フィルムやCCDカメラで写真を撮影する。観察対象を透かして観察することになるため、試料をできるだけ薄く切ったり、電子を透過するフィルムの上に塗りつけたりして観察する。

; 走査型電子顕微鏡 (Scanning Electron Microscope; SEM)

: 観察対象に電子線をあて、そこから反射してきた電子(または二次電子)から得られる像を観察する顕微鏡。走査型の名は、対象に電子線を当てる位置を少しずつずらしてスキャン(走査)しながら顕微鏡像が形づくられることから。電子は検出器に集められ、コンピュータを用いて2次元の像が表示される。

:対象の表面の形状や凹凸の様子、比較的表面に近い部分の内部構造を観察するのに優れている。観察対象が導電性のないものの場合、電子線をあて続けると表面が帯電してしまい、反射する電子のパターンが乱れるため、観察対象の表面をあらかじめ導電性を持つ物質で薄くコーティングしておくことが行われる。

また、両者の特徴を合わせ持つ走査型透過電子顕微鏡 (Scanning Transmission Electron Microscope; STEM) も近年注目されつつある。

◆電子顕微鏡の歴史

磁場の電子線に対するレンズ作用を実験で示したのは1927年ドイツのハンス・ブシュ() である。最初の電子顕微鏡 (TEM) は1931年にベルリン工科大学のマックス・クノールとエルンスト・ルスカが開発した。さらにルスカは性能を高め、この功績で1986年にノーベル物理学賞を受賞した。シーメンスの科学ディレクターだったユダヤ系ドイツ人のレインホールド・ルーデンベルグ()が1931年、特許をとり、1938年に電子顕微鏡を売り出す。走査形電子顕微鏡 (SEM) は1937年マンフレート・フォン・アルデンヌ () によって製作された。1950年代から多くの分野で活用された。さらに短波長の電子線(加速電圧の向上)などによって性能は向上した。

日本では瀬藤象二が国産化のための技術開発に貢献した。

◆ 利用

生物学の分野では、電子顕微鏡の利用は大きな影響を与えた。ウイルスの発見や、細胞小器官の構造など、得られたものは大きい。電子顕微鏡によって観察できるような微細な構造のことを微細構造 (Ultrastructure) という。

また、材料学においても転位や積層欠陥等材料の特性を決定する欠陥構造の解明、カーボンナノチューブをはじめとするナノ構造材料の発見と構造解析におおきな役割をはたしてきた。

◆関連項目

・電子銃

・電子レンズ

・電子線回折

  ・反射高速電子線回折

・格子像

・電子線エネルギー損失分光

・電子線描画装置

・イオン顕微鏡

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