第七单元 电子光学基础.pptVIP

第 七 章 电 子 光 学 基 础 7.1 前言 上一学期学习了X射线衍射学的基本原理,我们知道,通过X射线衍射分析可以对物质进行： ????? 结构测定——定性相分析 ???? 取向分析——定向 ????? 定量相分析 但是作为材料研究来说在今天已远远不够,还必须了解其宏观性能或行为与其微观组织、结构之间的联系，所以了解材料的微观组织、结构在近代材料科学研究中已是不可缺少的一项。 7.2 光学显微镜的成像原理极其局限性 7.2.1 成像原理 光学显微镜是利用可见光从一种介质(空气)到另一种介质(玻璃)的折射率不同对光线成折射，当将玻璃制成球面体时对可见光就产生了会聚或发散作用，对物体的放大与缩小可由单个透镜或多个透镜的组合来完成.根据几何光学理论,一个薄透镜具有下列性质： 从物点射出的平行光轴的光线,经过透镜后必定要穿过后焦点； 从物点射出通过透镜中心的光线不发生折射； 从物点射出的通过透镜前焦点的光线经过透镜后变成平行于主轴的光线； 焦距ｆ,物距Ｌ１,像距Ｌ２满足下列关系： 牛顿公式 上面的四个性质，在几何光学里可用上面一幅图来表现出来—发展成几何作图法： 7.2.2 光学显微镜的局限性 物体上的一个几何物点通过透镜成像时，由于衍射效应，在像平面上得到的并不是一个点，而是一个中心最亮、周围带有明暗相间的同心圆环的圆斑，即所谓Airy斑。 若样品上有两个物点S1、S2通过透镜成像，在像平面上会产生两个Airy斑S1’、S2’。 如图，如果这两个Airy斑相互靠近，当两个光斑强度峰间的强度谷值比强度峰值低19％时(把强度峰的高度看作100％)，这个强度反差对人眼来说是刚有所感觉。 也就是说，这个反差值是人眼能否感觉出存在S1’、S2’两个斑点的临界值。 从显微镜的功能来说，它的作用是将一个微小的物体放大到为人眼能分辨为止。 定义：在数值上，分辨本领就是一个光学系统刚能将两个靠近的物点分开时，这两个物点间的距离。 此距离越小，则光学系统亦即显微镜的分辨本领越高。阿贝根据衍射理论导出了光学透镜分辨本领的公式为： 其中： ? 是摄照源的波长 ? 是透镜的孔径半角 n 是物与镜之间介质的折射率 减小ｒ值,即提高分辨率的途径有: (1) 减小?值,但可见光最短波长约4000?? (2) 增大nSin?，目前可做到1.6 7.3 电子显微镜的原理 由阿贝公式可知，光学显微镜的分辨率受到了其光源波长的限制，因此，只要能寻找到一种波长更短的光源来代替极大地提高透镜的分辨率，于是人们首先想到了电子。 7.3.1 电子的波长 前面曾经谈到电子的特性，即： (1) 易产生，尺寸小； (2) 易控制，加速快，等。 根据德布罗意假说，运动着的粒子亦具有波粒二象性，其波长为： 电子波长与加速电压之间的关系为： ?： A? ，V： 伏 7.3.2 电磁透镜 可见光的聚焦成像是利用光在两种不同介质中折射率的不同而产生折射完成的，对于电子来说亦必须有同样的透镜来约束它，才能为我所用。 (1) 静电透镜 带有负电性的电子在电场中运动，受到电场力的作用，在电场力的作用下，其方向将发生偏转，它在电场等位面上的特征，就如同光线在玻璃面上的折射一样，可以使电子束聚焦。 常用静电透镜的剖面见图7－2。 因此，如果将静电场的等位面做成轴对称的球面凸透镜状，那么电子束亦将具备可见光一样的现象，即会聚或发散，这就是静电透镜的原理。 (2) 磁透镜 我们知道，当一个运动的电子在磁场中运动时，受到一个洛仑兹力的作用，即： 在电子垂直射入均匀磁场时： 电子射入一个无限长的螺线管时电子作螺旋运动，在轴上始终有一个向心的洛仑磁力作用于电子上，使其作圆周运动。 设想一下，如果将无限长螺线管进行轴向压缩成很薄，很薄,那么它的等磁面就会类同于凸透镜状，对电子束就能起到会聚作用。 旋转对称的磁场对电子束有会聚成像作用，因此，利用这个原理就可以制作一个产生这种旋转对称磁场的线圈装置，这就是磁透镜。见图7－4。 在实际的电镜中，磁透镜都是加上极靴的，见图7－5。 所谓的极靴实际上是在短线圈外加上一个对磁场屏蔽的软磁体，只是在线圈的中部留一环状间隙，这样，磁力线都集中在透镜中心环状间隙附近，形成如同薄凸透镜一样的等磁面。 (3) 磁透镜与光学显微镜的比较 相同点，遵循牛顿公式，即物距，像距，焦距满足下列关系