4-1电子显微研究.ppt

知识补充 2014年诺贝尔化学奖给了三个物理学家：艾力克·贝齐格（Eric Betzig）、斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）和W·E·莫纳（W. E. Moerner），以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。他们的突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度，从而使科学家们能够观察到活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。 蓝宝石衬底表面形貌观察 表面三维岛状结构 第四章 发育中的拟南芥花芽 扫描电子显微镜拍摄，人工上色，萼片为绿色，花瓣为红色，花药为橙色，柱头未上色。 图为西番莲花粉的扫描电子显微镜照片 4.1 引言 - 电子光学基础4.1.1 分辨本领 1) 人的眼睛仅能分辨0.1~0.2mm的细节2) 光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。3) 用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率)的限制。分辨本领 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。 1、光的折射现象及成像原理 A B B` A` . . F F L1 L2 一个物体可看作是由许多物点所组成，每一个物点散射的光经 透镜后都会聚在相应的像点上，许多的像点就构成了物体的像。 透镜成像公式： 放大倍数： 2、光的衍射现象和分辨本领的极限 由于光的衍射，使得由物平面内的点A 、B在象平面形成一A` 、 B`圆斑，圆斑由具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的 圆环组成，称为埃利斑（Airy斑）。 R n－透镜物方介质的折射率 λ－照明光波长 α－透镜孔径半角，即入射光束与透镜主轴的夹角； nsin α －数值孔径 M－放大倍数 图（1）两个Airy斑 明显可分辨出。 图（2）两个Airy斑 刚好可分辨出。 图（3）两个Airy斑 分辨不出。 R 将刚好可分辨出的两Airy斑中心间距相应于两个物点间距离△r0 定义为显微镜能分辨出的最小距离，此即透镜的分辨本领。 一般来说，孔径角较大时为70－75°，n约为1.5,则nsinα约为1.25-1.35,故： 波长是透镜分辨率大小的决定因素。 透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。若用波长最短的可见光(λ=400nm)作照明源，则  d0=200nm 200nm是光学显微镜分辨本领的极限 提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。 贝齐格 赫尔 莫纳 4.1.2 电子束的波长 比可见光波长更短的有： 1）紫外线 —— 会被物体强烈的吸收； 2）X 射线 —— 无法使其会聚 ； 3）电子波 根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。电子波 h —— Plank 常数 ， m —— v ——电子速度 初速度为0的自由电子从零电位开始运动，因受到加速电压U的作用获得速度为v： 1/2mv2 = eU 当电子速度v 远远小于光速C 时，电子质量m 近似等于电子静止质量m0，由上述两式整理得： 电子波长与加速电压平方根成反比，即加速电压越高，电子 波长越短，但当电压很高时，电子质量需引入相对论进行校正。 将常数代入上式，并注意到电子电荷 e 的单位为库仑， h的单位为J·s，我们将得到：  ［nm］ 表1 不同加速电压下的电子波长 加速电压/kV 20 30 50 100 200 500 1000 电子波长/10-3nm 8.59 6.98 5.36 3.70 2.51 1.42 0.687 一般电镜的加速电压为50－200KV,100KV以上的为超高压电镜。 当加速电压为100kV时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁透镜的孔径半角的典型值仅为10-2-10-3rad。如果加速电压为100kV，孔径半角为10-2rad，那么分辨本领为：  d0 = 0.61×3.7×10