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透射電子顯微鏡（TEM）是一種把經加速和聚集的電子束透射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射的顯微鏡。它主要用于觀察光學顯微鏡下無法看清的小于0.2um的細微結構，這些結構稱為亞顯微結構或超微結構。為了清晰地觀察到這些構造，需要選用較短波長光源來提高顯微鏡分辨率。

透射電子顯微鏡的工作原理是利用經加速和聚集的電子束透射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射。樣品厚度通常在幾十到幾百納米，這個厚度對電子的散射角度影響較小，因此可以認為電子的穿透是均勻的。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件）上顯示出來。這樣，人們就可以看到亞顯微結構或超微結構了。

透射電子顯微鏡（TEM）與光學顯微鏡在多個方面存在顯著的差異：

照明源：透射電鏡的照明源是電子束，而光學顯微鏡的照明源是可見光。
聚焦方式：透射電鏡使用電磁透鏡來聚焦，而光學顯微鏡則是使用玻璃透鏡來聚焦。
中間鏡的引入：透射電鏡的物鏡和投影鏡之間裝有一個中間鏡，可以調節放大倍數并進行電子衍射操作，而光學顯微鏡則沒有此功能。
成像方式：透射電鏡中電子束形成的像只能在熒光屏上顯示出來，而光學顯微鏡中可見光形成的像是在毛玻璃或白色屏幕上顯示出來。
真空環境：為了使電子能自由運動，不受與氣體分子碰撞的影響，透射電子顯微鏡鏡筒內必須保持很高的真空。而光學顯微鏡則不需要這樣的真空環境。
放大倍數：一般光學顯微鏡放大倍數在數十倍到數百倍，特殊可到數千倍。而透射電鏡的放大倍數在數千倍至一百萬倍之間，有些甚至可達數百萬倍或千萬倍。