TP21: Activité documentaire sur la microscopie électronique et les

Activité documentaire : Du macroscopique au microscopique, visualiser des atomes, des molécules.
Document 1 : Du microscope optique au microscope électronique.
De manière générale, la précision d’une observation est liée à celle de l’outil utilisé pour observer. Ainsi, un
archéologue travaillant sur un champ de fouilles n’emploierait pas un tractopelle pour mette à nu ses découvertes :
la taille des instruments qu’il utilise doit être adaptée à celle de l’objet qu’il est entrain de déterrer. Lorsqu’il s’agit
d’observer la matière, il en va de même : la longueur d’onde utilisée pour « éclairer » l’objet doit être adapté aux
dimensions du corps observé. Si celle-ci est trop grande, il est impossible de discerner les détails. Lorsque, depuis un
satellite, on observe un océan en imagerie RADAR (longueurs d’ondes de l’ordre du mètre), il est impossible de
visualiser les vagues à sa surface : les longueurs d’ondes utilisées sont, dans ce cas, trop grandes pour distinguer de
tels détails. Ainsi, pour séparer des détails de plus en plus petits, il faut sonder la matière avec des longueurs d’ondes
de plus en plus faibles. Avec un microscope optique, qui utilise la lumière visible pour éclairer l’objet étudié, la
résolution ne peut guère dépasser 100 nanomètres (un dix-millième de millimètre). Pour des détails plus fins, il faut
utiliser des rayons ultraviolets ou des rayons X. Pour scruter la matière à des dimensions encore plus faibles, on
n’éclaire plus l’objet avec des ondes électromagnétiques. Depuis les travaux de Louis de Broglie on connaît en effet
la nature ondulatoire des électrons. Or, si ces derniers sont accélérés sous plus de 10 000 volts, leur longueur d’onde
est plus faible que celle des rayons X. La microscopie électronique utilise, ainsi, non pas de la lumière mais un
faisceau d’électrons accélérés pour éclairer l’objet. Les recherches dans ce domaine débutent à Berlin dès 1920 mais
les premières images ne sont obtenues qu’en 1931. Grâce à ce type de microscope, dont la technique a été
constamment améliorée, on peut observer des détails cent fois plus petits que ceux qui sont visibles avec les
microscopes optiques. Enfin, depuis 1982 et les travaux de Gerd Binnig et Heinrich Rohmer, on parvient désormais à
visualiser des structures de quelques dixièmes de nanomètres. Le microscope à balayage à effet tunnel qu’ils ont mis
au point permet enfin de « voir » des atomes). En 1986, le jury Nobel décide de récompenser les travaux effectués
dans le domaine de la microscopie. Ainsi, les Suisses Gerd Binnig et Heinrich Rohrer sont-ils récompensés pour leur «
conception de leur microscope à balayage à effet tunnel », tandis que l’Allemand Ernst Ruska partage avec eux ce
prix pour « ses travaux fondamentaux en optique électronique et en particulier la conception du premier microscope
électronique. »
D’après Isabelle Desit-Ricard, L’histoire de la physique en clair, éditions ellipses.
Document 2 : Microscope électronique.
Selon la théorie d'Abbe, la résolution maximum qu'il est possible d'obtenir avec un microscope optique dépend de la
longueur d'onde des photons et de l'ouverture numérique du système optique. La limite de résolution transverse
d'un microscope, c'est-à-dire la plus petite distance en dessous de laquelle deux points voisins ne seront plus
distingués est directement proportionnelle à la longueur d’onde  de l’onde qui « éclaire » l’objet étudié. Ainsi, plus
la longueur d’onde est petite plus on pourra distinguer deux points très proches l’un de l’autre. Pour les microscopes
optiques, la limite de résolution est donc imposée par la longueur d'onde relativement élevée de la lumière visible,
de 400 à 700 nanomètres. En mettant en jeu des électrons dont on sait, d'après la mécanique ondulatoire de Louis
de Broglie, qu'ils possèdent à la fois les propriétés des particules et celle des ondes, on peut prétendre obtenir des
longueurs d’onde bien plus petites et donc une meilleure résolution. Dans un microscope électronique, les électrons
accélérés sont générés par un canon à électrons comprenant une source et un champ électrique produit par une
différence de potentiel U entre la source et une anode, puis focalisés sur l'échantillon par des lentilles magnétiques
ou électrostatiques. Le faisceau d'électrons interagit avec l'échantillon avec un contraste spatial résultant de
différences de densité ou de composition chimique, et mesuré par un détecteur permettant ainsi de former une
image de l'échantillon. La longueur d'onde d'un électron est donnée par l'équation de de Broglie. Les électrons sont
2𝑒𝑈
𝑚
accélérés dans un potentiel électrique U jusqu'à atteindre la vitesse requise : 𝑣 = √
où m est la masse de
l'électron et e la charge élémentaire. La longueur d'onde de l'électron est alors donnée par : 𝜆 =
ℎ
.
√2𝑚𝑒𝑈
Dans un microscope électronique, le potentiel d'accélération est habituellement de plusieurs milliers de
volts, permettant à l'électron d'atteindre une proportion appréciable de la vitesse de la lumière. Un microscope
électronique peut ainsi fonctionner à des potentiels d'accélération typiquement de l'ordre de 10 000 volts (10 kV)
donnant à l'électron une vitesse d'environ 20 % de celle de la lumière.
Document 3 : Principe du microscope à transmission
Le microscope à transmission (transmission electron microscopy) est proche dans
son principe du microscope optique. Le faisceau électronique traverse l'échantillon
et perd au passage un certain nombre d'électrons. Les premières images furent
obtenues pour la première fois par Ernst Ruska en 1931.L'émission des électrons est
produite par chauffage d'un filament de tungstène ou d'un cristal d'hexaborure de
lanthane.
Un vide poussé est effectué dans le tube du microscope. La tension accélératrice est
de l'ordre de 10 kV. Les lentilles magnétiques constituées d'une bobine et d'un
noyau de fer focalisent le faisceau d'électrons. La variation de la distance focale
permet de faire varier le grandissement (jusqu'à 1 000 000 x) et la mise au point. Les
observations visuelles sont toujours relayées par une prise de photo. Il suffit de faire
basculer l'écran pour que les plaques photographiques soient impressionnées. La
mise au point n'a pas besoin d'être changée car étant donné la valeur faible de u, la
profondeur de champ est très élevée. Pratiquement, il faut utiliser des objets de
petite épaisseur (0,5 nm) afin d'être le plus possible transparent aux électrons.
De plus, les échantillons biologiques doivent être déshydratés sinon l'eau présente dans ces échantillons se
vaporiserait immédiatement étant donné la très faible pression régnant dans le tube vidé de son air.
Information: Force électrique.
Lorsqu’une particule chargée est placée dans un champ électrique⃗⃗⃗𝐸 , elle subit une force 𝐹 = 𝑞𝐸⃗ . Le champ
électrique s’exprime en V.m-1.
⃗⃗⃗⃗⃗ est égal à la tension
S’il règne un champ électrique 𝐸⃗ entre deux points A et B alors le produit scalaire 𝐸⃗ . 𝐴𝐵
électrique UAB entre les points A et B.
Exploitation :
1) Quelle doit être la relation entre la longueur d’onde utilisée pour l’observation et la taille de l’objet pour que
l’objet soit observable ?
2) Établir l’expression du travail de la force électrique qui s’exerce sur un électron lorsqu’il est accéléré dans
l’accélérateur en fonction de e, m et U.
3) À l’entrée de l’accélérateur, les électrons ont une vitesse nulle. L’énergie cinétique acquise par l’électron lors
de sa traversée de l’accélérateur est égale à l’énergie qui lui est fournie par le travail de la force électrique.
Montrer que l’expression de la vitesse de l’électron à la sortie de l’accélérateur est bien celle donnée par le
document 2.
4) En déduire l’expression de la longueur d’onde de de Broglie et vérifier qu’elle est conforme à l’expression
fournie par le document 2.
5) Calculer la vitesse d’un électron accéléré par une tension de 10kV. Le résultat est-il en accord avec le
document 2 ?
6) Calculer la longueur d’onde de de Broglie d’un tel électron. Peut-on avec ces électrons visualiser des
atomes ?
On peut faire dévier des électrons en mouvement en les faisant traverser un espace où règne un champ électrique.
On considère un électron animé d’une vitesse ⃗⃗⃗
𝑉0 faisant un angle  avec l’horizontale en pénétrant dans le champ
électrique.
y
⃗⃗⃗
𝑉0
𝐸⃗
x
7) Établir l’équation de la trajectoire d’un électron dans un champ électrique 𝐸⃗ uniforme.