Les microscopes optiques sont limités dans leur résolution R car elle dépend entre autre de la longueur d'onde selon la relation suivante :

n : indice du milieu
u : ouverture du faisceau d'électrons (demi grand angle au sommet)
0,61 : coefficient lié à la diffraction de Fraunhofer.
est la longueur d'onde du rayonnement
pour un rayonnement de particule de masse m et de vitesse v.
h : constante de Planck

On constate donc qu'un faisceau d'électrons a une longueur d'onde beaucoup plus faible que celle d'un faisceau de lumière d'où une résolution beaucoup plus petite.

De plus, si la vitesse des électrons est plus élevée, la longueur d'onde diminue. On obtient des résolutions pratiques fournies dans le tableau ci-dessous.

(photons) = 400 à 700 nm (électrons) = environ 0,001 nm  R pratique (photons) = 500 nm  R pratique (électrons) = 0,2 nm

1 nm = m

On peut constater que la valeur de la résolution pratique du microscope électronique n'est pas celle attendue théoriquement car l'angle d'ouverture du faisceau d'électrons ne peut pas dépasser 1° contrairement au faisceau de lumière dont l'angle u peut atteindre 65°.
On peut avoir un gain de résolution avec les microscopes électroniques de 1000 x au lieu de 100 000 x en théorie.

Les qualités indispensables d'un microscope électronique :

- avoir un faisceau monocinétique c'est à dire que l'on doit pouvoir régler la tension accélératrice à 1 V près.
- de bonnes lentilles.
- pour les microscopes électroniques à transmission, un bon facteur de pénétration du rayonnement qui doit être sans dommage pour l'objet observé.

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.

Principe :

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 200 kV pour les appareils les moins onéreux et 1000 kV pour les plus chers (15 F / Volt soit 15 000 000 F !)

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.

Analyse d'une image de microscope électronique à transmission

La photographie ci-contre montre une cellule de levure grossie 20 000 x qui se divise par bourgeonnement.

On observe une coupe du noyau, tandis que dans le cytoplasme sont présents des organites sécrétoires, qui permettent à la cellule de sécréter des protéines dans le milieu extérieur.

Image donnée par Mme Morin-Ganet Docteur en biologie
qui a travaillé sur la levure Saccharomyces cerevisiae en microscopie électronique.

Le microscope à balayage (scanning electron microscopy) réalisé par Manfred von Ardenne en 1939 est un appareil qui balie l'échantillon d'un faisceau d'électrons. Ces électrons percutent l'échantillon qui émet à son tour des électrons secondaires dont le nombre dépend de la nature de la surface étudiée. Ce sont ces électrons qui sont collectés et détectés.

Dans le cas de l'appareil ci-contre, le grossissement peut varier de 10 x à 50 000 x et sa résolution peut atteindre 7 nm.

Microscope électronique à balayage
ETEC Autoscan (© 1995, ARS)