I motsetning til et vanlig mikroskop hvor en sender synlig lys og lar øyet se det reflekterte lyset, så bruker et elektronmikroskop elektroner i avbildningen.
Siden oppløsningsevnen for en mikroskopisk avbildning er om lag halvparten av bølgelengden for den benyttede stråling, vil detaljrikdommen i et elektronmikroskopisk bilde være mangedoblet sammenlignet med et lysmikroskopisk bilde. Bølgelengden for elektroner er om lag 1/100 000 av bølgelengden for synlig lys.
Det var den franske fysiker Louis de Broglie som i 1924 fremsatte hypotesen om at et elektron i bevegelse kan beskrives både som partikkel og som bølge. Teorien ble bekreftet kort tid etter. Dessuten fant man at elektronstråler kunne avbøyes i elektriske og magnetiske felt.
Omkring 1930 konstruerte den tyske ingeniøren Ernst Ruska de første elektromagnetiske linser til avbøyning av elektroner, og i slutten av 1930-årene kom det første kommersielle elektronmikroskop på markedet.
Dagens elektronmikroskop kan hovedsakelig deles opp i to kategorier. Transmisjonselektronmikroskop (TEM) og Skanningelektronmikroskop (SEM). I begge tilfelle blir elektroner sendt ut fra et en wolfram-tråd.
I et transmisjonsmikroskop lar en elektronene gå gjennom prøven som har en tykkelse på noen få mikrometer. Resultatet blir avbildet på en fluoriserende skjerm. I Skanning elektronmikroskopet er det en detektor som registrerer elektronene som blir reflektert fra prøveoverflaten. Siden elektroner er mindre i utstrekning enn vanlig synlig lys, kan man se mange flere detaljer. I tillegg blir kontrastene bestemt av de elektriske egenskapene til prøven.
Elektronmikroskop er et viktig redskap for å sjekke resultatet av forskning, eller biologiske prøver.
Elektronmikroskopet kan forstørre opp til ti millioner ganger, det vil si at en kan se cellestrukturer og til og med kjemiske bindinger, vel å merke ikke enkelt og problemfritt. Det er mulig å se detaljer ned i området tiendedels nanometer.
Et elektronmikroskop er i prinsippet bygd på samme måte som et lysmikroskop, med strålekilde, kondensator, preparatholder med justeringsmuligheter, objektiv, tubus, okular og sensor. Men strålekilden i elektron-mikroskopet er en elektron-akselerator og linsene er bygd opp av elektromagnetiske spoler. Vi kan heller ikke benytte øyet for direkte observasjon. Fordi elektronene bremses svært effektivt opp av luft, må det benyttes vakuum inne i mikroskopet. En annen forskjell fra lysmikroskopet er at materialet som brukes i elektronmikroskop er forbehandlet i større eller mindre grad. Det er fordi elektronstrålen kan destruere eller endre ubehandlet materiale slik at det man ser i mikroskopet ikke blir reelt.
Transmisjonselektronmikroskopet benyttes til studier av både krystallinske og ikke-krystallinske prøver. Ved stor nok forstørrelse er det mulig å få et bilde av selve atomoppbyggingen i stoffet. Ved å analysere spredningsmønsteret kan man få informasjon om symmetri og atomfordeling i materialet.
Undersøkelser i mikroskopet utføres normalt ved romtemperatur, men det finnes muligheter for så vel avkjøling som oppvarming. Ved å variere temperaturen kan man studere materialforandringer som følge av faseomvandlinger. Det er ofte gunstig å studere biologiske preparater ved lave temperaturer, siden slike prøver ofte er ustabile eller blir ødelagt gjennom oppvarming. Levende celler kan ikke studeres pga. vakuumbetingelsene i mikroskopet.
Sveipelektronmikroskopet er ofte kombinert med utstyr for kjemisk analyse. Som følge av elektronbestrålingen, vil prøvens atomer sende ut karakteristisk røntgenstråling. Analyse kan foretas over små prøvevolumer. Nedre grense for analysevolumet er betydelig større enn mikroskopets oppløsning. I og med at billeddannelsen skjer gjennom oppsamling av reflekterte elektroner, er preparatets tykkelse uten betydning. Prøvene må imidlertid være elektrisk ledende, noe som er naturlig oppfylt for metaller og legeringer. For ikke-ledende materialer som biologiske preparater oppnås dette ved pådamping av karbon eller gull.
Elektronmikroskopiske teknikker videreutvikles kontinuerlig, særlig med hensyn til kontrast, romlig oppløsning og nye typer kombinasjonsinstrumenter. Utviklingen skyldes ikke minst økt bruk av avansert datateknikk til billedbehandling, beregninger ved kjemisk analyse og instrumentstyring.
