电子光学基础课件.ppt
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1、第第1 1章章 电子光学基础电子光学基础1.1 1.1 电子显微镜概述电子显微镜概述1.2 1.2 电子显微镜的诞生过程电子显微镜的诞生过程1.3 1.3 电子光学基础电子光学基础1 1、分辨率、分辨率2 2、电子波的波长、电子波的波长3 3、电磁透镜、电磁透镜1.4 1.4 电子显微镜的类型及用途电子显微镜的类型及用途1 电子显微镜是以电子束为照明源,通过电子流对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大后在荧光屏上成像的大型仪器。1.1 1.1 电子显微镜概述电子显微镜概述2电子显微镜由电子流代替可见光,由电子显微镜由电子流代替可见光,由磁场代替透镜,让电子的运动代替光子。磁场代替透镜,让电子的
2、运动代替光子。光学显微镜则是利用可见光照明,将光学显微镜则是利用可见光照明,将微小物体形成放大影像的光学仪器。微小物体形成放大影像的光学仪器。“数码显微镜数码显微镜”:光学显微镜光学显微镜3大约在大约在400400年年前(前(15901590年),年),由荷兰科学家杨由荷兰科学家杨森和后来的博物森和后来的博物学家列文虎克发学家列文虎克发明和完善的显微明和完善的显微镜,向人们揭示镜,向人们揭示了一个陌生的微了一个陌生的微观世界,他们是观世界,他们是开辟人类显微分开辟人类显微分析的始祖。析的始祖。列文虎克列文虎克19世纪世纪4现在,最好的光学显微镜可以达到现在,最好的光学显微镜可以达到200020
3、00倍的放大倍数。倍的放大倍数。现代的光学显微镜现代的光学显微镜5l不管如何完善光学显微镜的透镜和结构,不管如何完善光学显微镜的透镜和结构,其放大倍数和分辨率总是被限定在其放大倍数和分辨率总是被限定在10001000多倍和几百纳米的水平,不可能再有新多倍和几百纳米的水平,不可能再有新的突破。的突破。l可见光的波长在可见光的波长在390390纳米到纳米到760760纳米之纳米之间,所以光学显微镜的理论极限分辨本间,所以光学显微镜的理论极限分辨本领也就在领也就在200200纳米左右纳米左右 。619241924年,法国学者德布罗意(年,法国学者德布罗意(De.BrglielDe.Brgliel)指
4、出,任何一种接近光速的运动粒子都具有指出,任何一种接近光速的运动粒子都具有波动性,波动性,电子既有波动性又有粒子性电子既有波动性又有粒子性。1.21.2电子显微镜的诞生过程电子显微镜的诞生过程1926-19271926-1927年,人们从晶体对电子产生的衍射现象,年,人们从晶体对电子产生的衍射现象,验证了电子的波动性,并具有比验证了电子的波动性,并具有比X X光还要短的波长。光还要短的波长。从实验中证明,从实验中证明,电子的波长随着加速电压而改变,电子的波长随着加速电压而改变,加速电压为加速电压为100KV100KV时,其波长仅为时,其波长仅为0.0370.037,大约比,大约比可见光波长短可
5、见光波长短1010万倍。万倍。719261926年,德过物理学家布施(年,德过物理学家布施(Busch)Busch)指出指出具具有轴对称性的磁场对电子束来说,起着透镜有轴对称性的磁场对电子束来说,起着透镜的作用,的作用,这为制造电子显微镜提供了理论依这为制造电子显微镜提供了理论依据。据。19321932年,世界上年,世界上第一台透射电子显微镜在德第一台透射电子显微镜在德国柏林产生,国柏林产生,由柏林工科大学由柏林工科大学KnollKnoll和和RuskaRuska研制的。放大倍数仅为研制的。放大倍数仅为12-1712-17倍,分辨率很倍,分辨率很低。低。19341934年,他们把透射电子显微镜
6、的年,他们把透射电子显微镜的分辨率提分辨率提高到高到500500。819381938年,年,RuskaRuska和其同事在德国西门子公司和其同事在德国西门子公司研制分辨率为研制分辨率为100100 的透射电子显微镜,的透射电子显微镜,19391939年作为商品提供给用户。年作为商品提供给用户。5050年代,英、法、荷、日、美、苏等国透年代,英、法、荷、日、美、苏等国透射电子显微镜已射电子显微镜已批量生产批量生产。5050年代中期,英国剑桥大学凯文第什实验年代中期,英国剑桥大学凯文第什实验室的室的HirschHirsch和和HowieHowie等人为代表,建立了一等人为代表,建立了一套直接观察薄
7、晶体的缺陷和结构的实验技套直接观察薄晶体的缺陷和结构的实验技术及电子衍射衬度理论。由此,术及电子衍射衬度理论。由此,晶体缺陷晶体缺陷理论得到了证实理论得到了证实。96060年代,透射电子显微镜分辨率达到了年代,透射电子显微镜分辨率达到了5 5左右。左右。7070年代末至年代末至8080年代,随着电子显微仪器分年代,随着电子显微仪器分辨率的提高,辨率的提高,电子显微学科诞生了电子显微学科诞生了,它可,它可以了解从结构的信息到原子点阵的排列。以了解从结构的信息到原子点阵的排列。1019351935年,德国学者年,德国学者KnollKnoll首次首次提出扫描电子提出扫描电子显微镜的结构及原理。显微镜
8、的结构及原理。19381938年,德国年,德国Von.ArdenneVon.Ardenne提出在透射电镜提出在透射电镜的两个静电透镜之间加一扫描线圈,相当于的两个静电透镜之间加一扫描线圈,相当于一台一台扫描透射电子显微镜,分辨率约为扫描透射电子显微镜,分辨率约为500-500-10001000。19421942:剑桥大学的马伦首次制成世界第一台:剑桥大学的马伦首次制成世界第一台扫描电镜。扫描电镜。19651965年,英国剑桥仪器公司生产出了年,英国剑桥仪器公司生产出了第一台第一台商品扫描电子显微镜商品扫描电子显微镜,分辨率可达,分辨率可达250250.11我国第一台电子显微镜的研制是在我国第一
9、台电子显微镜的研制是在19581958年,由中年,由中国科学院长春光机所制造,比国外晚了国科学院长春光机所制造,比国外晚了2020多年,但多年,但发展迅速。发展迅速。19751975年开始,我国自行设计制造扫描电子显微镜。年开始,我国自行设计制造扫描电子显微镜。8080年代初,中国科学院科学仪器厂制造的年代初,中国科学院科学仪器厂制造的DX-5DX-5型扫型扫描电子显微镜,其分辨率为描电子显微镜,其分辨率为6060,放大倍数,放大倍数1010万倍。万倍。19851985年,该厂生产的年,该厂生产的KYKY-AMRAY1000BKYKY-AMRAY1000B型扫面电子显型扫面电子显微镜分辨率为微
10、镜分辨率为6060,放大倍数,放大倍数2525万倍。其它厂家也都万倍。其它厂家也都已批量生产。已批量生产。12l简单地说,分辨率就是能够把两个点分辨开的最小简单地说,分辨率就是能够把两个点分辨开的最小距离。距离。l人眼睛的分辨率大约为人眼睛的分辨率大约为0.10.1个毫米。个毫米。l所以,要想看清比所以,要想看清比0.10.1个毫米还小的东西,就要借个毫米还小的东西,就要借助于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的助于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的物体至少放大到物体至少放大到0.10.1个毫米以上,才能看清它。个毫米以上,才能看清它。1.3 1.3 电子光学基础电子光学基础13 r
11、 r0 0:两物点的间距;两物点的间距;:光线的波长;:光线的波长;n n:透镜周围介质的折射率;:透镜周围介质的折射率;:孔径角,即物点发出能进入透镜成像的光线锥:孔径角,即物点发出能进入透镜成像的光线锥的锥顶角的半角的锥顶角的半角;nsinnsin称为数值孔径;称为数值孔径;根据光学原理,两个发光点的分辨距离为:根据光学原理,两个发光点的分辨距离为:当波长当波长一定时,一定时,分辨率取决于数值孔径的大小。数分辨率取决于数值孔径的大小。数值孔径越大则能分辨的结构越细,即分辨率越高。值孔径越大则能分辨的结构越细,即分辨率越高。14将玻璃透镜的一般参数代入上式,将玻璃透镜的一般参数代入上式,即最
12、大孔径半角即最大孔径半角=70-75=70-75,在介质为,在介质为油的情况下,油的情况下,n n1.5,1.5,其数值孔径其数值孔径n n sinsin1.25-1.351.25-1.35,上式可化简为:,上式可化简为:这说明,显微镜的分辨率取决于可见光的波长,波长这说明,显微镜的分辨率取决于可见光的波长,波长越短,分辨率越大。只有比光线波长一半还大的物体越短,分辨率越大。只有比光线波长一半还大的物体才会产生反射光而被放大看到。所以,用最好的光学才会产生反射光而被放大看到。所以,用最好的光学显微镜,其分辨率也只能是可见光波长的一半。显微镜,其分辨率也只能是可见光波长的一半。15不同波长光源分
13、辨本领的比较不同波长光源分辨本领的比较16u可见光的波长范围为可见光的波长范围为390 390 760nm(1nm=10 760nm(1nm=10),因此光学显微镜的分辨率的极限是因此光学显微镜的分辨率的极限是200nm200nm。u紫外线(紫外线(400nm400nm)作光源,分辨率可提高一倍。)作光源,分辨率可提高一倍。现代紫外光显微镜的分辨率可达到现代紫外光显微镜的分辨率可达到100nm100nm。u要制造更高分辨率的显微镜,必须采用波长更要制造更高分辨率的显微镜,必须采用波长更短的波作为成像媒介。短的波作为成像媒介。如何得到短波长?如何得到短波长?17 已知电子束具有波动性,对于运动速
14、度为已知电子束具有波动性,对于运动速度为v v,质量为质量为m m的电子波的波长为:的电子波的波长为:=h/mv=h/mvh h普朗克常数;普朗克常数;m m电子的质量;电子的质量;V V电子的速度。电子的速度。电子的速度电子的速度v v和加速电压和加速电压U U之间之间:eU eU 1/2 mv1/2 mv2 2 e e电子所带的电荷。电子所带的电荷。即即 v v(2eU/m2eU/m)1/21/2 18由此得由此得 h/(2emU)h/(2emU)1/21/2代入代入h=6.62h=6.6210-34J.S,m=9.1110-34J.S,m=9.1110-31kg10-31kg,e=1.6
15、0e=1.6010-19c 10-19c 12.25/U12.25/U1/2 1/2 U U的单位用伏特,的单位用伏特,的单位为的单位为。19 前面计算的过程中,电子的质量采用前面计算的过程中,电子的质量采用的是静止时的质量,但根据相对论理论,的是静止时的质量,但根据相对论理论,在高速运动的情况下,其质量有变化:在高速运动的情况下,其质量有变化:m mm m0 0/1-(v/c)/1-(v/c)2 2 1/21/2 v v为电子运动的速度,为电子运动的速度,c c为光速。为光速。波长与电压的计算公式应校正为:波长与电压的计算公式应校正为:12.25/U(1+0.978812.25/U(1+0.
16、97881010-6-6U)U)1/21/2200.00870.0087100010000.06980.069830300.01420.01425005000.08590.085920200.02510.02512002000.1220.12210100.03700.03701001000.1730.1735 50.04180.041880800.1940.1944 40.04870.048760600.2240.2243 30.05360.053650500.2740.2742 20.06010.060140400.3880.3881 1电子波波长电子波波长/加速电压加速电压/KV/KV电子
17、波波长电子波波长/加速电压加速电压/KV/KV 不同加速电压下电子波的波长(经相对论校正)不同加速电压下电子波的波长(经相对论校正)21u可见光的波长在可见光的波长在3900-76003900-7600之间,在常用的之间,在常用的100-200KV100-200KV加速电压下,电子波的波长要比可见加速电压下,电子波的波长要比可见光小光小5 5个数量级个数量级u只要能使加速电压提高到一定值就可得到很短只要能使加速电压提高到一定值就可得到很短的电子波。的电子波。u用高压加速电子就成为近代电镜的最重要特点,用高压加速电子就成为近代电镜的最重要特点,用这样的电子波作为照明源就可显著提高显微用这样的电子
18、波作为照明源就可显著提高显微镜的分辨率。镜的分辨率。那么能不能制造出使电子波聚焦成像的透镜?那么能不能制造出使电子波聚焦成像的透镜?22 u 电子是带负电的粒子,在静电场中会受到电子是带负电的粒子,在静电场中会受到电场力的作用,使运动方向发生偏转,电场力的作用,使运动方向发生偏转,设计设计静电场的大小和形状可实现电子的聚焦和发静电场的大小和形状可实现电子的聚焦和发散。散。u 由静电场制成的透镜称为静电透镜由静电场制成的透镜称为静电透镜,在电,在电子显微镜中,发射电子的电子枪就是利用静子显微镜中,发射电子的电子枪就是利用静电透镜。电透镜。静电透镜静电透镜23u运动的电子在磁场中也会受磁场力的作用
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