第一篇——组织形貌分析(终版)
答案1材料特性表征第1篇组织形貌分析
答案1材料特性表征第1篇组织形貌分析材料特性表征第⼀篇组织形貌分析作业题1. 光学显微镜的分辨本领和数值孔径？光学显微镜的分辨率：样品上相应的两个物点间距离?r 。
定义为透镜能分辨的最⼩距离，也就是透镜的分辨本领。
提⾼分辨率的⽅法：使⽤低波长光源，提⾼对⽐度。
光学显微镜数值孔径NA= nsin α（n ）和半孔径⾓（α）的正弦之乘积2. 什么是电⼦显微分析？电⼦显微分析的特点是什么？电⼦显微分析是利⽤聚焦电⼦束与试样物质相互作⽤产⽣的各种物理信号分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。
电⼦显微分析的特点：(1) 可以在极⾼放⼤倍率下直接观察试样的形貌、结构，选择分析区域。
分辨率⾼：0.2~0.3nm; 放⼤倍数⾼：20~30 万倍 (2) 是⼀种微区分析⽅法，具有⾼度分辨率，成像分辨率达到0.2~0.3mm,可直接分辨原⼦，能进⾏nm 尺度的晶体结构及化学组成分析。
(3) 各种电⼦显微镜分析仪器⽇益向多功能、综合性⽅向发展，可以进⾏形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析3. 电⼦波长由什么决定？电⼦波波长与电⼦运动速度的关系：mvh =λ所以电⼦波长由电⼦运动速度决定。
4. 什么是静电透镜和磁透镜？各有什么特点？静电透镜：能使电⼦波折射聚焦的具有旋转对称等电位曲⾯簇的电极装置。
磁透镜：能使电⼦波聚焦的具有旋转对称⾮均匀的磁极装置。
5. 电磁透镜的像差有哪⼏种？电磁透镜的像差分成两类：第⼀是因为透镜磁场⼏何上的缺陷造成的，叫做⼏何像差，包括球⾯像差、像散和像畸变。
第⼆是由于电⼦波长或者能量⾮单⼀性⽽引起的，与多⾊光相似，叫做⾊差。
6. 电磁透镜的场深？电磁透镜的场深或景深：在保持象清晰的前提下，试样在物平⾯上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平⾯所允许的厚度。
7. 电⼦的弹性散射有什么特点？⽤于什么分析？如果在散射过程中⼊射电⼦只改变⽅向，但其总动能基本上⽆变化，则这种散射称为弹性散射。
11.光学显微镜
L F
O
S+1
A B
S0
C
S-1
1
I’ C’
B’
A’
2
阿贝成像原理：衍射系统的屏函数
能使波前的复振幅发 生改变的物，统称为 衍射屏。
衍射屏将波的空间分 为前场和后场两部分。 前场为照明空间，后 场为衍射空间。
波在衍射屏的前后表 面处的复振幅分别称 为入射场、透射场， 接收屏上的复振幅为 接收场。
▪ (The eye is more sensitive to blue than violet) ▪？
像差
降低了显微镜分辨率 非理想透镜导致的主要像差：
（单色光）近轴物宽光束引起的球面像差和彗形像差; （单色光）远轴物窄光束引起的像散、像面弯曲和像形畸变;
复色光形成色差.
像差来源
（1）参与成像的光是非近轴光; （2）参与成像的光是非单色光; （3）系统中各光学元件的表面是非球面; （4）系统中各光学元件的主光轴不重合.
当眼睛调焦在无穷远时，完全松弛，i.e. o = f, i =
；0 h/25 and h/f
m 25 0 f
f in cm
单个透镜的局限
第一篇__组织形貌分析(终版)
油浸物镜
4.2.1 瑞利判据
R0
分辨两埃利斑的判据——瑞利判据：两埃利斑中心间距等于第一暗 环半径R0。此时, 两中央峰之间叠加强度比中央峰最大强度低19％，
2.2 光学显微镜的分辨率
分辨率是可分辨的两点间的最小距离，制约光学显 微镜分辨率的因素是光的衍射。衍射使物体上的一 个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光 斑。如果两个衍射光斑靠得太近，它们将无法被区 分开来。
分辨率与照明源的波长直接相关，若要提高显微镜 的分辨率，关键是要有短波长的照明源。
孔径角是物镜光轴上的物点与物镜前透镜的有效 直径所形成的角度。孔径角与物镜的有效直径成 正比，与物镜的焦距成反比。
物点
物镜
F
4.1 数值孔径
物镜的数值孔径和分辨率成正比：
1. 如果全部接收一级衍射光线，则 图像基本不会失去细节。细节越 微小，形成各级衍射斑点的衍射 角越大。因此，物镜口径越大， 能接受的衍射线角度越大，则分 辨率就越高。
6~9 m 红血球 ~10 m 白血球
4.1 扫描探针显微镜简介
1981年，IBM公司的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜，完全失去了传统显 微镜的概念。
扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作，它没有镜 头，使用一根金属探针，在探针和物体之间加上一定偏压 （几十mV），当探针距离物体表面很近（纳米级）隧道效 应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成 一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，电流 会呈指数级改变。这样，通过测量电流可以探测物体表面 的形状，分辨率可以达到原子的级别(埃，10-10m)。
拉伸,压缩,冲击试样组织形貌分析
玻璃微球/环氧树脂复合材料的组织形貌分析复合材料试样SEM组织形貌分析：本实验分别观察了三种试样平行于断口和垂直于断口的微观形貌，如下：图一：冲击试样平行于断口处的SEM照片如图一所示，分别为冲击试样平行于断口处的500倍、1000倍、2000倍的微观组织形貌。
从图中可以看出，在平行于断口处，部分玻璃微球被破坏，这可能是由于冲击时的压力所造成的。
从500倍的照片中可以看出，微球的排列比较规则，但微球周围的树脂包覆的并不多。
从2000倍的照片中可以看出，微球与树脂的结合会有裂缝，这种微观结构会影响到试样的力学性能。
图二：冲击试样垂直于断口处的SEM照片如图二所示，分别为冲击试样垂直于断口处的1000倍、2000倍、3000倍的微观组织形貌。
从图中可以看出，在垂直于断口处，并没有发现玻璃微球的明显变形，但是发现了微球的碎片，这可能是由于冲击时的压力所造成的。
从2000倍的照片中可以看出，微球周围包覆的树脂比较多。
从3000倍的照片中可以看出，基体的结合是靠树脂将微球包覆起来，从而形成一种增强机制，微球与树脂的结合情况直接影响到试样的整体力学性能。
图三：拉伸试样平行于断口处的SEM照片如图三所示，分别为拉伸试样平行于断口处的300倍、1000倍、1500倍的微观组织形貌。
从图中可以看出，在平行于断口处，玻璃微球排列紧密，而且微球的尺寸并不均匀。
从300倍的照片中可以看出，微球的排列比较规则，但微球周围的树脂包覆的并不多。
从1000倍的照片中可以看出，微球与微球之间是靠树脂相结合的，而这种微观结构会影响到试样的力学性能。
从1500倍的照片中，可以看到基体中一个完整的微球形貌，微球表面并不光滑，可以看到树脂包覆的现象。
并且可以看到，树脂脱落的迹象。
图四：拉伸试样垂直于断口处的SEM照片如图四所示，分别为拉伸试样垂直于断口处的300倍、1000倍、1500倍的微观组织形貌。
从图中可以看出，在垂直于断口处，玻璃微球与树脂基体之间有裂缝。
形貌分析(1)
纳米发光二极管。
将碳纳米管悬浮在表面氧化的硅薄片上，这 使得碳纳米管和硅薄片之间的电场极强，激发 形成强光。这种碳纳米管光源比普通的发光二 极管每秒多产生10万倍的光子，效能比以前制 造的碳纳米管高1000倍。 另外碳纳米管有非常好的特性，其电导率， 刚性，热导率都大大优于传统的金属。很多科 研人员正在利用碳纳米管研制各种电子器件。
TOP值: 干系物镜(0.95),水浸物镜(1.2),油浸物镜(1.4),特制物镜(1.6)
介质折射 率越大， NA值越高 开口角α 越大，NA 值越高 n=物镜与 被检物体 之间介质 的折射率
物镜数值孔径(N.A)
数值孔径与显微镜其他参数的关系
物镜的数值孔径是显微镜中最重要的参数.决定和影 响着其他参数 数值孔径与分辨率成正比 数值孔径与放大倍率成正比 数值孔径的平方与图象亮度成正比 数值孔径和视场直径成反向关系 数值孔径与工作距离成反向的关系
分辨率
根据“瑞利”判据，当A、B两点靠近到使像斑 的重叠部分达到各自的一半时，则认为此两点的 距离即是透镜的分辨本领；由此得出显微镜的分 辨本领公式（阿贝公式）为：d=0.61/(Nsin)， 其中， N A 其最大值为1.3。因此，上式可近似 化简为：d=0.5 光镜采用的可见光的波长为400~760nm，决定了 光学显微镜的分辨本领只能达到200nm
基础知识
提高分辨率的有效办法
1.降低光源波长
2.增大介质系数或提
高物镜NA值 3.增大物镜的口径 4.增加明暗反差
Resolution (r) = 0.61λ/ NA
（ λ=光源波长，一般选550nm）
基础知识
光学显微镜基础知识
《形貌分析及其应用》课件
环境形貌的表征技术
遥感技术
利用卫星或飞机搭载的传感器 获取地表形貌信息，进行大范 围的环境监测和评估。
地面测量
通过实地测量获取详细的环境 形貌数据，如地形高程、坡度 、植被覆盖度等。
总结词
介绍用于描述和量化环境形貌 特征的各种技术和方法。
GIS技术
地理信息系统用于整合和分析 空间数据，提取地形、地貌、 植被等环境形貌特征。
医学形貌的调控技术
手术整形
通过手术方法改变病变部位的形貌，以达到治疗目的，如整 容手术。
药物治疗
某些药物可以通过调节生理机制来改变病变部位的形貌，从 而达到治疗疾病的效果。
THANK YOU
感谢观看
05
03
土地复垦
对退化、废弃的土地进行整治和恢复 ，改善土地质量，提高土地利用价值 。
04
城市规划与设计
通过合理的城市规划和设计，创造宜 居、绿色、可持续发展的城市环境。
05
形貌分析在医学中的应用
医学形貌与其诊断关系
医学形貌与疾病诊断
形貌分析在医学中常用于疾病的诊断 ，通过对病变部位的形貌特征进行分 析，有助于医生判断病情和制定治疗 方案。
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了解形貌与性能之间的关系是优化材料设计和应用的关键 。
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实例
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纳米材料由于其独特的形貌，展现出不同于传统材料的物 理和化学性质，如高比表面积、量子限域效应等。
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金属合金的晶粒尺寸对其力学性能（如强度和韧性）有显 著影响。
模型模拟
建立数学模型和物理模型，模 拟环境形貌的形成过程和变化 趋势。
环境形貌的调控技术
形貌分析和结构分析的手段原理及分析
形貌分析和结构分析的手段原理及分析
组成：失重、密度、熔点、气相液相、层析柱,层析板体积排阻色谱
结构：红外、核磁、质谱、飞行质谱、XRD
形貌：光学显微镜、电镜、X光
检测内容：一般的TEM可以做形貌分析，物相分析，结构及缺陷分析，以及判定晶体生长方式等等。
SEM主要用于样品的表面形貌分析（二次电子），成分分析（背散射电子），以及成分的点线面分析。
对于带有能谱或者其他成分分析附件的TEM也可以做成分分析。
制样方法：SEM的样品要求很简单，导电就行，不导电喷碳喷金喷银让他导电；TEM制备样品很复杂，尤其是对接的样品。
新手嘛，做一个好的样品，得至少半个月吧。
能在这个时间内完成的都是高手！
还有……先说这么多！。
医学授课讲义模板之肌肉组织详细分析sistemamuscul
estructura sujeta. Acabado el trabajo, recupera su posición de reposo.
back
FUNCIONAMIENTO
• Los músculos realizan el trabajo de extensión y de flexión, para aquello tiran de los huesos, que hacen de palancas.
• Los músculos gastan mucho oxigeno y glucosa, cuando el esfuerzo es muy fuerte y prolongado, provocando que los músculos no alcancen a satisfacer sus necesidades, dan como resultado los calambres y fatigas musculares por acumulación de toxinas musculares,
back
MÚ SCULOS
• Los músculos son los motores del movimiento. Un músculo, es un haz de fibras, cuya propiedad mas destacada es
la contractilidad. Gracias a esta facultad, el paquete de fibras
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期末PPT展示答辩
第 1 篇 组织形貌分析
第一章 组织形貌分析概论
第一章 组织形貌分析概论
1. 组织形貌分析的含义和发展阶段 2. 光学显微镜简介 3. 电子显微镜简介
扫描电子显微镜 透射电子显微镜
4. 扫描探针显微镜简介
1. 1 组织形貌分析的含义
成分
原子结构 原子排列
性能
钛靶局部被单脉冲激光烧蚀 高分子聚合物薄膜断口
回标题页
铁素体的晶粒 和晶界 奥氏体-铁素体双相组织 深灰色：铁素体相，含量40～ 50% ；浅灰色：奥氏体相
回标题页
1. 2 组织形貌显微技术的 三个发展阶段
组织形貌分析借助各种显微技术认识材料的微 观结构。人们对微观世界的探索，就是建立在 不断发展的显微技术之上的。 组织形貌分析的显微技术经历了光学显微镜、 电子显微镜、扫描探针显微镜的发展过程。观 测显微组织的能力不断提高，现在已经可以直 接观测到原子的图像。
0.61 r0 R0 / M n sin
透镜的分辨率由数值孔径和照明光源的波长两个因素决 定。数值孔径越大，照明光线波长越短，分辨率就越高。
4.3.1 放大率和有效放大率
显微镜总的放大率Γ应该是物镜放大率β和目镜 放大率1的乘积： = 1 无效放大倍率：当选用的物镜数值孔径不够大， 即分辨率不够高时，显微镜不能分清物体的微细 结构，此时即使过度地增大放大倍率，得到的也 只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像。 有效放大倍率：光学显微镜提供足够的放大倍数， 把它能分辨的最小距离放大到人眼能分辨的程度。
F
物镜
R0
由斑点光源衍射形成的埃利斑
埃利斑光强分布图
2.2.1 阿贝成像原理（重点）
透射光显微镜的成像过程。光源：准平行 相干光，物体：具有周期性结构。
直射光
光通过细小的网孔时发生衍射，同一方向 的衍射光成为平行光束，在后焦面上汇聚。 凡是光程差满足 =k, k = 0,1,2,…的，互 相加强，形成0级、1级、2级衍射斑点。 某个衍射斑点是由不同物点的同级衍射光 相干加强形成的；同一物点上的光由于衍 射分解，对许多衍射斑点有贡献。 从同一物点发出的各级衍射光，在产生相 应的衍射斑点后继续传播，在像平面上又 相互干涉，形成物像。 1 01
材料现代研究方法
Modern Methods of Materials Analysis
天津大学材料科学与工程学院
杨 静 副教授
课程内容
第一篇 组织形貌分析 （6学时，第1~2周）
第二篇 晶体物相分析 （14学时，第3~6周）
期中PPT展示答辩（第6~7周）
第三篇 成分和价键（电子）结构分析
什么是 材料科学 组织形貌分析？ 相结构 结构
与工程
显微组织
加工
结构缺陷
1. 1 组织形貌分析的含义
表面和内部组织形貌，包括材料的外观 形貌、晶粒大小与形态、界面（表面、 相界、晶界）。
微观结构的观察和分析对于理解材料的 本质至关重要。
下一标题页
金纳米线
1018号钢的断口——塑性断裂
韧窝状形貌 和夹杂物
样品 物镜
后焦面
像面
2.2.1 阿贝成像原理（重点）
阿贝成像原理可以简单地描述 为两次干涉作用。 当平行光束通过有周期性结构 的物体时， 1. 不同物点的同级衍射波在后焦面 的干涉 ——形成衍射谱； 2. 同一物点的各级衍射波在像面的 干涉——形成反 映物的特征的 物像。
2.2.2 物与像之间的相似性
扫描电镜与X射线能谱仪配合使用，使得我们在看到样品 的微观结构的同时，还能分析样品的元素成分及在相应 视野内的元素分布。
金纳米线
1018号钢的断口——塑性断裂
钛靶局部被单脉冲激光烧蚀
高分子聚合物薄膜断口
6~9 m ~100 m
头发分叉处
红血球
~100 m
~10 m
脑神经元
白血球
4.1 扫描探针显微镜简介
1610年，意大利物理学家伽利略(Galileo)制造了具有物镜、 目镜及镜筒的复式显微镜（左图）。 1665年，英国物理学家罗伯特· 胡克(Robert Hooke)用这台复 式显微镜观察软木塞时发现了小的蜂房状结构，称为“细 胞”，由此引起了细胞研究的热潮。 1684年，荷兰物理学家惠更斯(Huygens) 设计并制造出双透镜目镜－惠更斯目镜， 是现代多种目镜的原型。这时的光学显 微镜已初具现代显微镜的基本结构(右图)。
2.2 光学显微镜的分辨率
分辨率是可分辨的两点间的最小距离，制约光学显 微镜分辨率的因素是光的衍射。衍射使物体上的一 个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光 斑。如果两个衍射光斑靠得太近，它们将无法被区 分开来。
分辨率与照明源的波长直接相关，若要提高显微镜 的分辨率，关键是要有短波长的照明源。
光强
2.1.3 衍射斑
物点
Hale Waihona Puke 由于衍射效应，物体上每个物点通过透镜成像后不会是一个点， 而是一个衍射斑——埃利斑。如果两个衍射光斑靠得太近，它们 将无法被区分开来。 0.61M R0 埃利斑第一暗环半径 n sin 其中，n 为物方介质折射率， 光源波长， 透镜半孔径角，M 透镜放大倍数，n sin 数值孔 径。埃利斑半径与照明光源波长成正比，与透镜数值孔径成反比。
2.1.2 狭缝衍射实验
狭缝中间连线b上每一点可以看成一个“点光源”，向四面八方 发射子波，子波之间相互干涉（叠加），在屏幕上形成衍射花 样。 整个狭缝内发出的光波在 P0 点的波程差为零，相干增强，形成 中央亮斑。在P1处发生相干抵消，形成光强的低谷。在P2点处， 从狭缝上缘和下缘发出的光波的波程差1½ 个波长，P2成为相干 增强区的中心，称为第一级衍射极大值。
1. 2 组织形貌显微技术的 三个发展阶段
扫描探针显微镜 电子显微镜
放大倍率
×10,000,000 ×1,000,000
×100,000
光学显微镜
×10,000 ×1,000 ×100 ×10
分辨率
1000 10-6
100 10-7
10 10-8
1 10-9
0.1 10-10
0.01 10-11
物像是由直射光和衍射光互相干涉形成的。不让 衍射光通过就不能成像，参与成像的衍射斑点愈多， 则物像与物体的相似性愈好。 像 面
后 焦 面
3. 光学显微镜的构造和光路图
光学显微镜包括光学系统和机械装臵两大部分：
目镜
物镜
聚光镜和光阑
反光镜
4. 显微镜的重要光学技术参数
4.1 数值孔径 4.2 分辨率（重点） 4.3 放大率和有效放大率
2. 光学显微镜的成像原理
2.1 衍射的形成 2.2 阿贝成像原理 （重点）
2.1.1 什么是波的衍射？
光即电磁波，具有波动性质。光波在遇到尺寸可 与光波波长相比或更小的障碍物或孔时，将偏离 直线传播，这种现象叫做波的衍射。
水波的衍射
障碍物线度越小，衍射现象越明显。 衍射现象可以用“子波相干叠加”的原理来解释。
第 1 篇 组织形貌分析
第二章 光学显微技术
第二章 光学显微技术
1. 光学显微镜的发展历程 2. 光学显微镜的成像原理 3. 光学显微镜的构造和光路图
4. 显微镜的重要光学参数
5. 样品制备
1. 1 光学显微镜的四个发展阶段
1590年，荷兰的詹森父子(Hans and zachrias Janssen) 制造出 第一台原始的、放大倍数约为20倍的显微镜。
4.2 扫描隧道显微镜图像
1981年，硅原子像（7X7）
硅 (111) –(7X7)原子图像
4.3 扫描隧道显微镜对单原子和 分子的操纵
图中的“IBM”是由单个氙（Xe)原子构成的
三位诺贝尔物理学奖获得者
从左至右依次是Ernst Ruska，Gerd Binnig和 Heinrich Rohrer分别因为发明透射电子显微镜和 扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖。
1.2 恩斯特· 阿贝
在显微镜的发展史中，贡献最为卓著的是德国的 物理学家、数学家和光学大师恩斯特· 阿贝(Ernst Abbe)。 他提出了显微镜的完善理论，阐明了成像原理、 数值孔径等问题，在1870年发表了有关放大理论 的重要文章。
两年后．又发明了油浸物镜，并在光学玻璃、显 微镜的设计和改进等方向取得了光辉的业绩。
4.4 光学透镜的像差
4.1 数值孔径
数值孔径（NA）是物镜前透镜与被检物体之间介 质的折射率（n）和半孔径角（α）的正弦之乘积， NA= nsinα。表示物镜分辨细节的能力。
孔径角是物镜光轴上的物点与物镜前透镜的有效 直径所形成的角度。孔径角与物镜的有效直径成 正比，与物镜的焦距成反比。
物点 物镜
0.001 nm 10-12 m
2.1 光学显微镜简介
它的最高分辨率为0.2μm，是人眼的分辨率的500倍。
光学显微镜最先用于在医学及生物学 方面，直接导致了细胞的发现，在此 基础上形成了19世纪自然科学三大发 现之一——细胞学说。 应用：观察金属或合金的晶粒大小和 特点等；无机非金属材料的岩相分析 等；研究高聚物的结晶形态、取向过 程等。
1981年，IBM公司的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜，完全失去了传统显 微镜的概念。 扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作，它没有镜 头，使用一根金属探针，在探针和物体之间加上一定偏压 （几十mV），当探针距离物体表面很近（纳米级）隧道效 应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成 一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，电流 会呈指数级改变。这样，通过测量电流可以探测物体表面 的形状，分辨率可以达到原子的级别(埃，10-10m)。