Elektronmikroskoobis ei kasutata objekti läbivalgustamiseks valgusvihku, vaid seda kiiritatakse läbi elektronkimbuga. Objektist tekitavad suurendatud kujutise elektronläätsed. Need on torujad elektromagnetid (joon.6.1), mille õõnt läbides elektronkimbud koonduvad niisama kui valguskiired klaasläätsede toimel. Elektronläätsedega tekitatud kujutis tehakse nähtavaks luminestseerival ekraanil või jäädvustatakse fotoplaadil (filmil). Joonisel 6.2 võrreldakse elektronmikroskoopi tavalise optilise mikroskoobiga.

Joon. 6.1. Magnetelektronlääts lõikes.	Joon. 6.2. Tavalise valgusmikroskoobi ja elektronmikroskoobi võrdlus.

Elektronmikroskoop suurendab uuritavaid objekte sadu kordi tugevamini kui valgusmikroskoop. Mikroskoobi suurendusvõimet piirab difraktsiooninähtus, mis muudab pisidetailid hägusaks. Üldiselt ei saa eristada mikroskoobis kasutatava kiirguse poollainepikkusest väiksemaid detaile. Difraktsioon sõltub lainepikkusest. Väiksemaid detaile saab eristada seda selgemalt (lahutusvõime on seda suurem), mida lühemalainelises kiirguses objekte vaadeldakse. Elektronilained on valguslainetest palju lühemad. See annabki neile mikroskoopias eelise. Elektronide lainepikkus on seda väiksem, mida tugevamas elektriväljas nad on kiirendatud (p. 4). Seepärast rakendatakse elektronmikroskoobis kõrgpinget, enamasti 100 000 V suurusjärgus. Kuid on ka hiidmikroskoope, kus pinge ulatub miljoni voldini. Paksematest objektidest, mida elektronid ei läbista, valmistatakse õhukesed jäljendid: nende pinnale aurustatakse süsinikust või kullast kelme, mis pinnast eraldatakse. See meenutab kipsjäljendite võtmist bareljeefidelt. Elektronmikroskoobiga saab hästi vaadelda baktereid, viiruseid, kristallipinna atomaarseid defekte jpm.

Rastermikroskoobis (joon.6.3) teravustatakse elektronkiir elektronläätsedega objekti pinnale mikrotäpiks (umb. 1 μm²). Kallutuspoolid hälvitavad kiirt rida-realt üle terve uuritava pinna (skaneerimine, nagu pildilaotus televiisoris). Objekti lähedal on tajur, mis “aistib” objekti pinnalt tagasi põrkunud või langevate elektronide mõjul objektist välja paisatud elektrone (viimased on teisesed e. sekundaarelektronid; meenutame, et dünoodidest välja paisatud sekundaarelektronid võimendavad fotoelektronide voogu fotoelektronkordistis, vt Optika, lk. 83). Pinna mikroreljeef, samuti keemiline koostis muudavad täpp-täpilt nii põrkunud kui ka sekundaarsete elektronide voogu. Tajur on ühendatud kuvariga, mille ekraanile ilmubki kujutis. Rastermikroskoobi suurendused ei küüni elektronmikroskoobi omadeni. See-eest annab ta suure sügavusteravuse, kujutised näivad lausa ruumilistena. Temaga vaadeldakse ja pildistatakse edukalt nt. väikeorganisme ja nende organeid, tehnikaseadiste mikrodetaile jpmt.

Elektronmikroskoopia viimane sõna on rastermikroskoobi eriliik, tunnelmikroskoop. Selles skaneerib objekti pinda üliteravaks (üksikaatomini tipus) söövitatud metallteravik. Seadme põhimõte meenutab mõnevõrra merepõhja reljeefi kaardistamist nöörloodi abil. Teravikule antakse objekti suhtes mõnevoldine negatiivne potentsiaal. Kui teravik viia objektile väga lähedale (0,1 - 1 nm), hakkab ta kiirgama elektrone, tekib külmemissioon e. autoemissioon (lk. 31). Selle põhjuseks on kvantmehaaniline tunneliefekt, mis ongi riistale nime andnud. Teravikku hoiab ja juhib piesoelektrilisest materjalist kolmsõrmik (joon. 6.4), mida omakorda käsutab arvuti. Piesoelektrikud muudavad neile rakendatud elektriväljas pisut oma mõõtmeid, seeläbi nõela liigutades. Sellal kui sõrmiku harud X ja Y skaneerivad pinda, hoiab vertikaalharu Z nõela pinnast konstantsel kaugusel, nõnda et emissioonvool ei muutuks. Seda saab teha ülitäpselt, sest tunnelvool sõltub tugevasti vahekaugusest: 0,1 nm nihe muudab voolu ca 100 korda. Pinna mikroreljeef ilmub kuvari ekraanile. Reljeefi kajastab haru Z nihutamispinge koos skaneerimispingetega. Jälgitavad on aatomi mõõtmeist palju väiksemad nõela püstnihked – kuni 0,001 nanomeetrini. Horisontaalsuunas ulatub parim lahutus 0,1 nanomeetrini, mis kuvariekraanil annab umbes 1 cm, nii et kogusuurendus tuleb 10⁸ X.

Niisiis “nähakse” tunnelmikroskoobi abil üksikaatomeid, saadakse jälgida nende paiknemist aine pinnal (vt. kaanepilti ja joon. 6.5). Tunnelmikroskoop (ja selle mitmed uusimad teisendid) on aatomimikroskoobid. Õigem olekski riista nimetada hoopis nanoskoobiks või koguni pikoskoobiks, sest tema ersitusvõime küünib nanomeetreist kümnete pikomeetriteni. Ta on asendamatu ainete (nt. pooljuhtmaterjalide) pinnastruktuuri ja selle atomaardefektide vaatlemiseks, on elektronmikroskoopia rekordiomanik, tippsaavutis. Vähe sellest, tunnelmikroskoobi abil saab pinda aatomite viisi kujundada, aatomeid pinnal vajalikul viisil ümber paigutada.

Kui tunnelmikroskoobiga saab uurida vaid küllalt hea elektrijuhtivusega objekte, siis tema edasiarendusel, aatomjõumikroskoobil, seda kitsendust pole. Objekti pinda kombatakse selleski teravikuga, kuid seda hoiavad pinnast kindlal kaugusel piesotäiturid, mis reageerivad ülitundlike jõumõõturite signaalile. Viimased mõõdavad nt. liibumisjõude pinna-aatomite ja teraviku tipuaatomi vahel.

Elektronmikroskoobi leiutas 1930ndail aastail Saksa insener Ernst Ruska (1906-1988), rasterelektronmikroskoobi umbes samal ajal sakslane Max Knoll, esimese tunnelmikroskoobi tegid 1981 šveitslased Heinrich Rohrer (s. 1933) ja Gerd Binnig (s. 1947). 1986 kroonis Ruska, Rohreri ja Binnigi saavutusi elektronmikroskoopias Nobeli füüsikapreemia.