Jongens en wetenschap. Deel 1

[p. 114]

De Elektronenmicroscoop

Een Kijkje door een Vergrootglas. Je hebt zeker wel een vergrootglas, een loupe, die je bij gelegenheid gebruikt. Neem ze eens vast en bekijk dit eenvoudig gevormde stuk glas eens van dichtbij. Verwondert het je niet dat de dingen achter het glas plotseling veel groter lijken? Details, die voor het blote oog verborgen zijn, worden zichtbaar. Hoe kan dat eigenlijk?

Dat zullen we nader onderzoeken. Misschien weet je al van school dat lichtstralen die door een doorschijnend lichaam gaan dat dichter of dunner is dan de omgevende lucht, van hun rechte richting afwijken. Dat hoef je niet zo zonder meer aan te nemen, maar je kunt het heel eenvoudig zelf nagaan. Neem eens een liniaal en dompel hem in een met water gevulde kom. Omdat water een dichter lichaam is dan lucht moeten de lichtstralen van het deel van de liniaal dat onder water zit en die je oog bereiken, van richting veranderen. Kijk dus eens goed, dan zul je zien dat de liniaal gebroken lijkt op de plaats

Fig. 1. Straalbreking door water

waar hij in het water gaat. Bij de wetenschapsman die het hele natuurgebeuren netjes in wetten formuleert heet dit: Lichtstralen worden, bij overgang van een dichte in een dunne stof, gebroken. In ons geval is de dichtste stof het water, de dunne de lucht.

Laat je die lichtstralen door een glas gaan dan wijken ze nog meer af dan in water, want glas is een dichtere stof dan water. Zo zijn ze op het idee gekomen om aan glas de vorm van een lens te geven, omdat in dit geval de stralen die door het glas gaan, concentrisch om het middelpunt van de lens regelmatig gebroken en gebundeld worden, waardoor al die eigenaardige verschijnselen zich voordoen, die we zowel bij de loupe als bij al de andere optische toestellen bewonderen.

Wanneer en hoe men voor 't eerst op dit idee gekomen is weet niemand. Misschien was het een dauwdruppel op een blad die de nerven vergrootte en zo aanleiding gaf tot het nabootsen van de vluchtige waterdruppels. Wie zal het ooit weten?

[p. 115]

Hier zitten we niet op de schoolbanken, maar houden we ons vol vreugde bezig met de dingen van de hoge wetenschap. Daarom wil ik jullie gedachtengang niet tegenhouden met het opsommen van wetten over de breking van het licht in de verschillend gevormde lenzen. Je kunt de wetten van de straalbreking op een vervelende regendag ergens in een natuurkundeboek nalezen, en als je daar eenmaal in verdiept bent, zul je waarschijnlijk vinden dat het eigenlijk een interessante zaak is.

Maar nu naar onze loupe, waar we maar juist zoveel willen van weten als nodig is voor het begrijpen van de werking van de microscoop en van de ultramicroscoop.

Fig. 2. Gang der stralen door de loupe

Stel, dat je een kever bekijkt door een vergrootglas zoals op fig. 2 aangegeven wordt. Je ziet hoe de lichtstralen die van de speldekop komen en de lens treffen, kegelvormig naar binnen toe gebroken worden, als ze in het glas komen. Van belang is het feit dat de lichtstralen die je het beeld van de kever vormen, uit een andere richting komen, dan als ze niet door de lens gaan. Want de richting waaruit de afzonderlijke stralen van het beeld van de kever komen is beslissend voor de grootte en de vorm van het beeld dat in je oog gevormd wordt. Uit de figuur blijkt zonder meer, hoe het oog de kever ziet in de rechtlijnige voortzetting van de richting van de stralen, die van uit de loupe naar het oog gaan. En omdat deze stralenbundel zich van uit het oog openspreidt is de kever van verder gezien weer vergroot en wel op die plaats waar de door de lens gebroken lichtstralen zich weer tot het beeld verenigen. Je noemt zo'n beeld, dat met behulp van de loupe voor het oog dadelijk herkenbaar is, een schijnbeeld, in tegenstelling met het door lenzen ontworpen werkelijke beeld, dat b.v. in de camera, door een matglas en door de film, opgevangen kan worden, (fig 3).

[p. 116]

Fig. 3. Gang der stralen bij de objectieflens

Je kunt je voorstellen dat de vergroting, die men met eenvoudige loupen bereikt, tamelijk beperkt is; ze hangt af van de brandpuntsafstand van de lens. Als je niet weet wat de brandpuntsafstand van de lens is, dan weet je toch wel dat je bij zonneschijn met een lens kunt branden of, beter gezegd, licht brandbare stoffen kunt ontsteken. Je laat zonnestralen loodrecht op de lens vallen en je houdt achter het brandglas b.v. een stuk papier. Zo gauw de heldere ronde vlek die op het papier valt, door de verandering van de afstand van de lens tot het papier, tot een schitterend punt ineenschrompelt, begint het papier te roken en ten slotte te branden. Deze afstand van het middelpunt van de lens tot het papier is de brandpuntsafstand van de lens (fig. 4). Je kunt die met een liniaal meten. Hoe

Fig. 4. Bepalen van de brandpuntsafstand of focusafstand van een lens

sterker de welving van de lens, hoe sterker de vergroting. Met een loupe van 6 cm brandpuntsafstand, bereik je ongeveer een viervoudige vergroting; boven een twintigvoudige vergroting gaat het practisch niet. De Nederlander Leeuwenhoek die, op het einde van de 17e eeuw, de wereld verbaasde door zijn ontdekking van kleine, tot nu toe niet geziene, levende wezens, nl. de infusiediertjes en de bacteriën, gebruikte voor zijn onderzoek niets anders dan zeer kleine, zorgvuldig geslepen glazen lenzen met buitengewoon kleine brandpuntsafstand. - Hij soldeerde de lens in een eenvoudig toestel, waardoor hij het te onderzoeken voorwerp heel dicht bij de lens kon houden,

[p. 117]

en de andere kant van die lens weer dicht voor het oog (fig. 5). Waarschijnlijk was het niet alleen de geringe brandpuntsafstand van zijn lenzen, die hem de kleine organismen in het vuile water deden zien, maar ook de scherpte van zijn gezicht en het geduld bij de waarneming. Want hoe verder je gaat met het vergroten met behulp van eenvoudige loupen, hoe gebrekkiger het beeld lijkt dat je ziet. Pas de samengestelde microscoop, door de Nederlandse brillenmaker Zacharias Jansen uitgevonden, maakte werkelijk sterkere vergrotingen mogelijk.

Fig. 5. Eenvoudige Microscoop van Leeuwenhoek, vóór- en achterzijde

De samengestelde Microscoop. Wie een microscoop bezit, krijgt meteen ook een nieuwe fantastische wereld. Je moet eens een druppel water bekijken uit het aquarium, waarin nog resten van zeewier drijven, of eens wat modder van een bloemstengel krabben, die een tijdje in water gestaan heeft, en het leven en gewemel eens bekijken dat zich daarin onder de microscoop aan je oog openbaart. Fantastisch gevormde, fabelachtige wezens in vreeswekkende uitrustingen doortrekken een landschap dat je wonderlijkste dromen ver overtreft.

Dit wonderwerk van de optica bestaat in zijn eenvoudigste samenstelling uit twee lenzen. De ene lens werkt als de lens in een camera: zij ontwerpt dus een werkelijk beeld van het object, dat je op kunt vangen, zoals je in fig. 3 hebt gezien. Deze lens heet, zoals bij de camera, het objectief, omdat ze naar het waar te nemen object gericht wordt. Door de tweede lens beschouwt het oog het door de eerste lens ontworpen beeld als met een loupe. Deze tweede lens noem je oculair of oogglas, naar het Latijnse woord oculus = oog. We zullen de werking nagaan met behulp van een camera, waarvan de bouw je toch bekend is. Heb je een camera met een matglas, dan kun je dadelijk de volgende proef doen. Je zet dus je camera op tafel en brengt een open boek voor het objectief, alsof je een bladzijde zo groot mogelijk wou fotograferen (zie fig. 6). Zoals je weet verschijnt er dan op het matglas een omgekeerd beeld van het blad. Is de camera zo gebouwd dat je de balg uit kunt trekken op meer dan de dubbele brandpuntsafstand van de lens, dan komt het schriftbeeld op het matglas groter dan in het boek. Je hebt dus al een vergroting bereikt, die aan de werking

[p. 118]

van de objectieflens in de microscoop beantwoordt. Nu kun je natuurlijk het omgekeerde beeld op het matglas nog verder vergroten, door het met een loupe de bekijken, zoals de figuur aantoont. Deze loupe beantwoordt aan de oculairlens in de microscoop. Omdat er in de microscoop geen matglas is, zou je dat ook bij onze proef moeten kunnen missen. Laten we het dadelijk eens proberen! Zonder de stand van oog en loupe te veranderen trek je het matglas uit de camera. Tot je verbazing zul je het beeld van de bedrukte bladzijde nog steeds zien, hoewel het matglas, dat het beeld draagt, er niet meer is. Het lijkt wel toverij dat je met de loupe een beeld kunt zien dat, onzichtbaar voor het blote oog, in de lucht zweeft. Met behulp van dit model heb je niet alleen het principe van de microscoop, maar ook dat van de astronomische verrekijker gedemonstreerd. Het verschil tussen deze twee instrumenten bestaat hierin, dat bij de microscoop het te onderzoeken object zo dicht mogelijk bij de objectieflens met korte brandpuntsafstand wordt gebracht, om een zeer groot opvangbaar werkelijk beeld te krijgen, terwijl er bij de verrekijker, alleen door een objectief lens met grote brandpuntsafstand, een betrekkelijk groot werkelijk beeld opgevangen kan worden, dat dan, met het als loupe dienstdoende oculair, wordt bekeken.

Fig. 6. Camera en loupe dienen als model voor de samengestelde microscoop

[p. 119]

Op fig. 7 zie je het schematisch voorgestelde verloop van de stralen van de samengestelde microscoop. Het waar te nemen object, in dit geval de kever, wordt bij de kleine objectieflens gebracht en wel bijna tot op brandpuntsafstand. Daardoor onstaat er op de andere kant van de lens, op grotere afstand, een werkelijk, omgekeerd en vergroot beeld van de kever. Om dit beeld zichtbaar te maken voor het oog en nog meer te vergroten, brengen we het zoals voordien bij de camera, bij de grote oculairlens die als loupe werkt. Hiermee zien we nu de kever sterk vergroot, hoewel nog steeds omgekeerd, wat toch bij het microscopisch onderzoek niet langer storend werkt.

De leek vraagt bij een microscoop altijd eerst naar de sterkte van de vergroting. Dat je met een instrument sterk vergroot, wil helemal niet zeggen dat je er ook meer mee ziet. Stel je voor, dat je bij onze

Fig. 7. Gang der stralen bij de samengestelde microscoop

[p. 120]

eerste proef met de camera een sterk vergrotende loupe kiest, om het beeld op het matglas nog beter te zien. Je zult gauw merken dat het bekijken met die loupe geen nieuwe bizonderheden aan het licht brengt, want de objectieflens heeft optische fouten. Het gaat hiermee als met het vergroten van een wazig fotonegatief; je vergroot alleen het wazige en krijgt een nog slechtere foto. Je ziet dus, dat je, door het gebruik van sterker vergrotende oculairlenzen, maar tot op een zekere grens meer bizonderheden kunt zien. Daarom besteedt men, bij de bouw van microscopen, de grootste zorg aan het vervaardigen van de objectieflens en probeert men de gewone fouten van de lens zoveel mogelijk te verbeteren; men verenigt ook verschillende lenzen tot één lenzensysteem, zoals ook bij de objectieven van de camera het geval is. Een verdere verbetering van de instrumenten wordt bereikt door het invoegen van een andere lens, de zogenaamde condensor, die de loop van de lichtstralen in de microscoop wijzigt. Deze verenigt de stralen van de objectieflens tot een kleiner, maar duidelijker beeld, dat dan ook door de oculairlens beter gezien kan worden. Deze condensor is op fig. 7 weggelaten om het overzicht niet te storen.

Het Wonder van de Ultramicroscoop. Het is duidelijk dat men, in de loop der tijden, steeds bleef werken om de prestaties van de microscoop te verbeteren. De wetenschap heeft met dit kleine instrument ontzettend veel bereikt. Men heeft microben ontdekt, waarvan sommige maar een duizendste millimeter groot zijn, en toch voor talloze mensen ziekte en dood betekenen. Men vond de bouwstenen van het leven, de cellen, en door de kennis er van kon men nu de levensverrichtingen begrijpen en de ziekten bestrijden. Sinds jaren had men ingezien dat een microscoop de grenzen van zijn prestaties bereikt had, omdat de eigenschappen van de zichtbare stralen een onoverkomelijke hinderpaal stelden. Om je dat beter te laten begrijpen willen we even wat meedelen over de aard van het licht. Lichtstralen zijn namelijk, zoals je waarschijnlijk wel weet, een beweging van golven, net zulke golven als er ontstaan, wanneer je een steen in het water gooit. Ze zijn van dezelfde soort als de radiogolven, de Röntgenstralen en andere minder bekende soorten stralen. Deze beweging vind je misschien wel eigenaardig, maar troost je. Men heeft zich ook lang afgevraagd hoe een golf kon ontstaan, omdat er toch geen stof gevonden werd die de golf had kunnen dragen. Toen hebben ze de mooie hypothese van de lichtaether opgesteld, een onmerkbaar fijne stof, die de aethergolven zou dragen, maar daarover misschien een andere keer. Hier gaat het er alleen maar om dat men

[p. 121]

de grootte van de lichtgolven en ook die van de watergolven nauwkeurig kan meten, en dat men gevonden heeft dat zo 'n lichtgolf ontzettend klein is. Naar de kleur van het licht heeft de golf een lengte van 0,81 tot 0,33 duizendste van een millimeter.

Golflengte Rood licht: 0,81 duizendste millimeter. Violet licht: 0,33 duizendste millimeter. Daartussen liggen de andere kleuren: oranje, geel, groen en blauw Fig. 8

Hoe buitengewoon klein deze lichtgolven voor ons begripsvermogen ook schijnen, toch zien we daarmee nog niet die zeer kleine lichaampjes, die nog kleiner zijn dan de lengte van een lichtgolf. Hiervan kan men de omvang met de gewone microscoop niet meer zien. De lichtstraal die dit deeltje in de microscoop treft, kan er geen schaduwbeeld van maken, omdat hij er om zo te zeggen omheen gebogen wordt. We noemen dit in de optica buiging of diffractie van het licht.

Wat helpen alle inspanningen dan van de beste lenzenslijpers ter wereld? De grens van de vergroting, die ligt tussen dat wat met lichtstralen nog scherp uitgebeeld kan worden en dat wat ons oog nog goed zien kan, ligt ongeveer bij het 1400 voudige.

Wat nu? Een paar jaar geleden is men op een prachtig idee gekomen. Als we nu eens in plaats van het licht, een soort van stralen nemen met een veel kleinere golflengte? In de tweede helft van de vorige eeuw heeft men de zogenaamde cathode- of electronenstralen ontdekt, waarvan later bleek dat die stralen golflengten kunnen hebben, ongeveer 100 000 maal kleiner dan die van het licht. Laten we dan in plaats van licht, electronenstralen door de microscoop zenden, dan is het probleem opgelost.

Maar de natuur laat haar geheimen niet zo maar los. Voor electronenstralen is glas ondoorschijnend; ze gaan zelfs niet door glazen lenzen, laat staan dat ze er zich door laten breken. Toch kun je ze van hun rechte baan laten afwijken, niet door lenzen, maar

Fig. 9. Een magneet buigt de electronenbundel af die in een luchtledige buis verwekt wordt

[p. 122]

door magneten. Zendt men electronenstralen door een bijna luchtledige glazen buis (zie fig. 9) en brengt men er van buiten een magneet bij, een electromagneet b.v., dan wordt de electronenstraal afgebogen onder invloed van de magneet. We hebben hetzelfde beeld als bij de lichtstraal die, bij de overgang van een dichtere stof in een dunnere, van richting verandert, zoals we bij de liniaal in de bak met water zagen. Van deze eenvoudige buiging in één richting naar het bundelen van electronenstralen, juist als het concentreren van lichtstralen door een lens, was de afstand niet zo groot. In plaats van met de staafmagneet probeerde men met ringvormige electromagneten, die in een ijzeren mantel liggen en rondom de glazen buis gelegd waren, de electronenstraal op dezelfde manier te buigen als licht in een lens. Door talloze proeven kreeg men op die manier een electronenlens die enigszins aan de eisen beantwoordde. Op fig. 10 zien jullie

Fig. 10. Magnetische electronenlens met korte brandpuntsafstand voor de ultramicroscoop

een doorsnee3 van zo'n magnetische electronenlens met kleine brandpuntsafstand voor de ultramicroscoop. Het af te beelden, uiterst kleine voorwerp, dat hier de vorm van een pijltje heeft, wordt aan de bovenkant door een smalle bundel electronenstralen getroffen. Aan allebei de kanten is de ringvormige electromagneet met de poolschoenen N en Z zichtbaar. Het magneetveld geeft, verder naar beneden, een vergroot beeld van het te onderzoeken voorwerp, zoals de objectieflens bij de lichtmicroscoop. Al naar gelang de dikte van de betreffende massa worden er veel of weinig electronen doorgelaten, zonder dat ze van richting veranderen. Is er een punt van het voorwerp dik, dan worden er veel electronen verspreid die dan op het diafragma vallen, zodat ze niet meehelpen om het beeld te vormen. Maar is het punt in kwestie dun, dan behouden veel electronen hun oorspronkelijke richting, blijven ze in de kleine stralenbundel en worden door het sterke magneetveld tot een sterk belicht punt verenigd. De ultramicroscoop geeft dus de dikte aan van het voorwerp dat onderzocht moet worden.

[p. 123]

Fig. 11

De ultramicroscoop heeft drie van die electronenlenzen die op fig. 11 schematisch worden voorgesteld. Door verandering van de stroom, die de magneten moet bewegen, kan de brandpuntsafstand van de electronenlenzen gewijzigd worden. Deze eigenschap laat toe de vergroting tussen 4000 en 40 000 voudig telkens te kiezen volgens het geval dat zich voordoet.

De foto op bl. 125 toont het hele instrument. De bundel electronenstralen doorloopt de lange heldere cylinder. Daar de lucht aan de electronenstralen een te grote weerstand biedt, moet eerst het luchtledige gemaakt worden binnen in het instrument. Het te onderzoeken preparaat wordt in een patroon gezet en alles wordt in de luchtledige ruimte van de microscoop geplaatst.

De ultramicroscoop zelf wordt op een kist geplaatst die de electrische bij toestellen en ook de luchtpomp bevat. De gang der stralen, zoals hij voorgesteld wordt op fig. 11, komt in grote trekken overeen met die van de gewone microscoop, behalve dat de stralen in omgekeerde richting gaan. De bron van de electronen en de eerste electronenlens, die de bundel electronen projecteren op het te onderzoeken preparaat, gedragen zich zoals de lichtcondensor van de gewone microscoop, die licht projecteert op het voorwerp dat voor het objectief staat. Onmiddellijk onder het preparaat bevindt zich de tweede electronenlens, het objectiefspoel, dat helemaal fungeert zoals het objectief. De objectiefbuis, die daaraan aansluit, vertoont openingen om op een tussenscherm een eerste vergroot reëel beeld van het objectief te onderzoeken. Op dat scherm kan men dat deel van het beeld plaatsen dat men speciaal wenst te vergroten, door het overige van het beeld te bedekken met het diafragma. Dit deel is dan aanzienlijk vergroot door de derde electronenlens, de projectielens, zodat men ten slotte een sterk vergroot reëel beeld van het voorwerp verkrijgt. Dit laatste beeld kan op een scherm onderzocht worden door drie openingen in de cylinder van het toestel, ofwel op een fotografische plaat gefixeerd worden.