透過電子顕微鏡：TEM　TEMとは何か？内部を観察できる理由は何か？

この記事で分かること

透過電子顕微鏡：TEM

　機器分析とは、化学反応を用いる古典的な化学分析に対し、物質が持つ物理的・化学的性質を精密な機器で測定し、その物質の成分や構造を分析する方法の総称です。

　　高感度で迅速な分析が可能であり、微量な成分や複雑な混合物も精度高く分析できるため、現代の科学技術分野で広く利用されています。　

　今回は、透過電子顕微鏡、TEMに関する記事となります。

TEMとは何か

　TEM（Transmission Electron Microscope）は、日本語で透過電子顕微鏡（とうかでんしけんびきょう）と呼ばれます。

　光の代わりに「電子の波」を、レンズの代わりに「磁場（電磁レンズ）」を利用して、物質をナノメートルから原子レベルのスケールで観察する非常に強力な分析機器です。

1. TEMの基本的な仕組み

　TEMは、その名の通り「電子を試料に透過させる」ことで観察を行います。仕組みは光学顕微鏡と似ていますが、光源が電子銃に、レンズが電磁石に置き換わっています。

• 透過: 電子線が非常に薄く加工された試料（100nm以下）を通り抜けます。
• コントラスト: 試料内部の密度や原子の種類、結晶の向きによって電子の通りやすさが変わるため、それが明暗（影）として画像になります。
• 真空: 電子が空気中の分子に当たって散乱しないよう、装置の内部は高度な真空状態に保たれています。

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2. TEMでわかること

　TEMは単なる拡大写真だけでなく、以下のような高度な分析が可能です。

• 内部構造の観察: ウイルス、細胞の微細構造、金属の結晶欠陥、ナノ粒子の形状などを観察できます。
• 原子の配列: 最新の装置では、原子が並んでいる様子を直接見ることが可能です。
• 結晶構造の解析: 電子回折という現象を利用して、その物質がどのような結晶（原子の並び規則）を持っているかを調べられます。
• 元素分析: EDS（エネルギー分散型X線分光）などの検出器を組み合わせることで、「どこに、何の元素が、どれくらいあるか」を特定できます。

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3. よく比較されるSEM（走査電子顕微鏡）との違い

　電子顕微鏡にはもう１つSEMがありますが、役割が大きく異なります。

特徴	TEM（透過型）	SEM（走査型）
見えるもの	試料の内部・断面	試料の表面・立体構造
イメージ	レントゲン写真	デジカメ写真（立体）
分解能	極めて高い（原子レベル）	高い（ナノレベル）
試料の準備	非常に薄く切る必要があり、難しい	そのまま、または導電処理のみでOK

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4. TEMのメリットとデメリット

• メリット:
  • 現存する顕微鏡の中で最高クラスの解像度を誇る。
  • 物質の内部情報と結晶情報を同時に得られる。
• デメリット:
  • 試料を100nm程度（1万分の1mm）まで薄く削る「試料作製」に高度な技術と時間がかかる。
  • 装置が非常に大型で高価。

　物質の「中身」を究極まで詳しく調べたいときに、TEMは欠かせないツールです。

試料内部の測定ができる理由は何か

　試料内部を測定・観察できる最大の理由は、「高エネルギーの電子を試料に突き抜けさせている（透過させている）」からです。

　具体的には、以下の3つの条件が揃うことで内部の情報が得られます。

1. 電子の透過力： 電子銃で加速された電子線は非常にエネルギーが高く、物質を通り抜ける性質を持っています。
2. 試料の極薄化： 試料をあらかじめ100ナノメートル（1万分の1ミリ）以下という極限の薄さまで削り出します。これにより、電子が途中で止まらずに反対側まで突き抜けることができます。
3. 相互作用の可視化： 電子が試料内部を通り抜ける際、中の原子の密度や並び方によって、散乱されたりスピードが変わったりします。この「通り抜け方の違い」をレンズで拡大して画像にするため、内部の構造が透けて見えるのです。

　「光を通さない物質でも、極限まで薄くして強力な電子線を当てれば、レントゲン写真のように中身を映し出せる」というのがTEMの原理です。

X線による試料内部の観察の違いは何か

　X線（レントゲンやX線CT）とTEM（透過電子顕微鏡）は、どちらも「透過」を利用して内部を観察しますが、見ているものの大きさ（スケール）と見え方に大きな違いがあります。

1. 観察スケールの圧倒的な差

• X線: 主にミリ単位〜マイクロメートル（1,000分の1mm）単位の構造を見ます。骨、内臓、製品内部のヒビ、大きな部品の欠陥などを観察するのに適しています。
• TEM: ナノメートル（100万分の1mm）から原子レベルの構造を見ます。分子の形、結晶の並び、ナノ材料の構造など、X線では絶対に見えない極微の世界を観察します。

2. 観察できる情報の質

• X線: 主に「密度の違い」を影として見ます。
• TEM: 密度の違いだけでなく、電子の波としての性質を利用して、「結晶の向き」や「原子の配列」まで可視化できます（回折・位相コントラスト）。

3. 試料の「厚さ」の違い

• X線: 透過力が非常に強いため、人間の体や金属の塊など、厚いものをそのまま透過して内部を撮影できます。
• TEM: 電子は物質にぶつかりやすいため透過力が弱く、試料を極薄（100nm以下）に加工しないと中身が見えません。

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比較表

項目	X線観察 (CTなど)	TEM (透過電子顕微鏡)
得意な対象	骨、部品、大きな回路	結晶、ナノ材料、原子、細胞
分解能（細かさ）	数μm程度（製品の不備など）	原子1個分（0.1nm程度）
試料の厚さ	数cm〜数mでもOK	100nm以下（極薄）
わかること	内部の空洞や密度のムラ	内部構造、原子配列、元素分布

　X線は「カバンの中身を外から透かして見るレントゲン」、TEMは「カバンの中にある布の繊維1本1本の編み目を拡大して見る顕微鏡」というイメージです。