Обичайният тип микроскоп, който може да намерите в класна стая или научна лаборатория, е оптичен микроскоп. Оптичен микроскоп използва светлина за увеличаване на изображение до 2000x (обикновено много по-малко) и има резолюция от около 200 нанометра. Електронният микроскоп, от друга страна, използва лъч електрони, а не светлина, за да формира изображението. Увеличаването на електронен микроскоп може да достигне 10 000 000x с резолюция 50 пикометра (0,05 нанометра).
Предимствата на използването на електронен микроскоп над оптичен микроскоп са много по-голямо увеличение и разделителна мощност. Недостатъците включват цената и размера на оборудването, изискването за специално обучение за подготовка на проби за микроскопия и за използване на микроскоп и необходимостта от преглед на пробите във вакуум (въпреки че могат да се използват някои хидратирани проби).
Най-лесният начин да разберете как работи електронният микроскоп е да го сравните с обикновен светлинен микроскоп. В оптичен микроскоп гледате през окуляр и обектив, за да видите увеличено изображение на екземпляр. Настройката на оптичния микроскоп се състои от образец, лещи, източник на светлина и изображение, което можете да видите.
В електронен микроскоп мястото на лъча на светлината заема електронен лъч. Образецът трябва да бъде специално подготвен, за да могат електроните да взаимодействат с него. Въздухът вътре в камерата за проби се изпомпва, за да образува вакуум, тъй като електроните не пътуват далеч в газ. Вместо лещи електромагнитните бобини фокусират електронния лъч. Електромагнитите огъват електронния лъч по същия начин, по който лещите огъват светлината. Изображението се произвежда от електрони, така че се гледа или чрез снимка (електронна микрография) или чрез гледане на образеца през монитор.
Има три основни типа електронна микроскопия, които се различават според това как се формира изображението, как е подготвена пробата и разделителната способност на изображението. Това са трансмисионна електронна микроскопия (TEM), сканираща електронна микроскопия (SEM) и сканираща тунелна микроскопия (STM).
Първите изобретени електронни микроскопи бяха предавателни електронни микроскопи. В ТЕМ електронният лъч с високо напрежение се предава частично през много тънък образец, за да образува изображение на фотографска плоча, сензор или флуоресцентен екран. Образът, който се формира, е двуизмерен и черно-бял, като нещо като Рентгенов. Предимството на техниката е, че е способна на много голямо увеличение и разделителна способност (с порядък по-добър от SEM). Ключовият недостатък е, че работи най-добре с много тънки проби.
При сканираща електронна микроскопия лъчът от електрони се сканира по повърхността на пробата в растерна схема. Изображението се образува от вторични електрони, излъчвани от повърхността, когато те се възбуждат от електронния лъч. Детекторът картографира електронните сигнали, образувайки изображение, което показва дълбочината на полето в допълнение към структурата на повърхността. Докато разделителната способност е по-ниска от тази на TEM, SEM предлага две големи предимства. Първо, той формира триизмерен образ на екземпляр. Второ, може да се използва на по-дебели образци, тъй като се сканира само повърхността.
Както в TEM, така и в SEM, важно е да се осъзнае, че изображението не е непременно точно представяне на извадката. Образецът може да настъпи промени поради подготовката му за микроскоп, от излагане на вакуум или от излъчване на електронния лъч.
Сканиращ тунелен микроскоп (STM) изобразява повърхности на атомно ниво. Това е единственият вид електронна микроскопия, който може да изобрази индивидуално атома. Разделителната му способност е около 0,1 нанометра, с дълбочина около 0,01 нанометра. STM може да се използва не само във вакуум, но и във въздуха, водата и други газове и течности. Може да се използва в широк температурен диапазон, от почти абсолютна нула до над 1000 градуса С.
STM се основава на квантово тунелиране. В близост до повърхността на пробата се поставя електрически проводящ накрайник. Когато се приложи разлика в напрежението, електроните могат да тунелират между върха и образеца. Промяната в тока на върха се измерва, докато се сканира през пробата, за да образува изображение. За разлика от други видове електронна микроскопия, инструментът е достъпен и лесно се прави. STM обаче изисква изключително чисти проби и може да бъде сложно да го накарате да работи.