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C'est à partir de la définition et de l'évaluation du pouvoir de résolution du microscope photonique, bien adapté à l'exploration du monde micronique, que se justifie le recours à des faisceaux d'électrons pour espérer franchir plusieurs ordres de grandeur et avoir accès directement aux distances interatomiques. Le seul paramètre sur lequel il est possible de gagner le facteur  de l'ordre de 1000 requis, est la longueur d'onde de la radiation utilisée. Dans le tableau I.1 nous avons montré que deux solutions étaient envisageables, à savoir le recours à des radiations électromagnétiques dans le domaine X ou à des particules chargées et en particulier à des électrons.

Dans le premier cas, les progrès ont été très lents dans la mesure où ne savait pas réaliser des éléments optiques focalisants (tous les matériaux ont un indice de réfraction quasiment égal à l'unité dans cette gamme de longueurs d'onde). La seule solution consistait à envisager des microscopies par projection où on observe l'ombre portée de l'échantillon sur le détecteur. La résolution est alors limitée soit par la taille de la source, soit par celle du détecteur (grain de l'émulsion) suivant la configuration, source-échantillon-détecteur, choisie. Mais dans tous les cas cette résolution n'est pas sensiblement différente de celle offerte par la microscopie photonique dans le domaine visible. Ajoutons cependant que l'introduction d'optiques à base de réseaux faits d'empilements de matériaux lourds et légers, a permis récemment  de réaliser des expériences prometteuses de focalisation de rayons X avec une résolution de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. C'est un progrès très sensible dans la voie d'une microscopie X dont il faudra suivre l'évolution avec intérêt.

Revenons à la relation de Louis de Broglie qui attribue une longueur d'onde l à un électron de masse m et de vitesse v, soit l = h/mv. Ceci n'est qu'une loi approchée non relativiste. La loi exacte tenant compte de l'énergie au repos de l'électron, $E_0=mc^2=511 $  keV,  est:

$$ \lambda(pm)=\frac{1226}{[eV(1+0,9785 \cdot 10^{-6}eV)]^{1/2}} $$ (II.2)

à partir de laquelle on peut calculer les paramètres associés à des électrons accélérés dans le vide sous une tension V (Tableau II.1)

Tableau II.1

V (kV)

b = v/c

m/m0

l (pm)

100

0,548

1,196

3,70

300

0,776

1,587

1,97

1000

0,941

2,957

0,87

Il résulte de la lecture de ce tableau que les électrons accélérés sous les tensions usuelles de fonctionnement d'un microscope électronique se propagent à une vitesse supérieure à la moitié de la vitesse de la lumière, qu'ils sont donc relativistes avec une masse variant de 1,2 à 3 fois la masse de l'électron au repos, que leur longueur d'onde est nettement inférieure aux distances moyennes interatomiques et qu'ils constituent donc un rayonnement adapté à l'exploration de la matière aux échelles subnanométriques.

Construire un instrument d'optique électronique de conception semblable au microscope optique est en outre envisageable car on sait que ces particules chargées sont susceptibles de subir l'action des forces imposées par des champs électromagnétiques et de voir ainsi leurs trajectoires modifiées et contrôlées. Il est ainsi possible de réaliser des combinaisons de champs exerçant sur ces particules une action identique au rôle des lentilles de verre pour les rayons lumineux, ce sont les lentilles électroniques que nous décrirons dans le chapitre suivant. Par contre, utiliser un faisceau d'électrons impose un certain nombre de contraintes, la plus importante étant qu'à cause de leur pouvoir d'interaction avec la matière, ils ne se propagent librement que dans le vide. Une colonne de microscope électronique est donc essentiellement une enceinte pompée sous des vides de l'ordre ou inférieur à un milliardième de la pression atmosphérique. (Cette affirmation sera commentée à nouveau au paragraphe IV.4).