电子与物质的相互作用
电子与物质的相互作用及其应用
电子与物质的相互作用及其应用电子束与固体样品作用时产生的信号图是电子束与固体样品作用时产生的信号。
它包括：背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、特征x射线、俄歇电子。
1.背散射电子背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。
弹性背散射电子：被样品中原子核反弹回来的，散射角大于90 的那些入射电子，其能量没有损失(或基本上没有损失)。
非弹性背散射电子：入射电子和样品核外电子撞击后产生的非弹性散射，不仅方向改变，能量也有不同程度的损失。
如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形成非弹性背散射电子。
弹性背散射电子和非弹性背散射电子的比较见表。
表弹性背散射电子和非弹性背散射电子的比较2．二次电子在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子叫做二次电子。
3．吸收电子入射电子进入样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽(假定样品有足够的厚度没有透射电子产生)，最后被样品吸收而成为吸收电子。
4．透射电子如果被分析的样品很薄，就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。
5．特征x射线当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的X射线释放出来。
6．俄歇电子在入射电子激发样品的特征X射线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以x射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另一个电子发射出去(或使空位层的外层电子发射出去)，这个被电离出来的电子称为俄歇电子。
表电子束与固体样品作用时产生的各种信号的比较。
电子与物质相互作用
Bethe 理论也可用来描述电子在固体中运动时的非弹性散射作用总贡献，这是由振子强度的求和规则
不随原子环境改变的性质决定的，尽管此时已不能准确求得各种非弹性散射机制（如价电子激发）的截面。
2
射角较大时屏蔽和无屏蔽 Rutherford 散射截面很相近，图中难以区分。 更精确的截面是通过解 Schrodinger 方程计算原子势获得。此外，考虑包括电子自旋和相对论效应的
Dirac 方程，可以获得描述电子弹性散射的 Mott 截面。
Mott 载面
图 10.1.2 屏蔽和无屏蔽 Rutherford 散射微分截面的比较。
屏蔽 Rutherford 公式的优点是它的简单解析性，缺点是近似程度差，特别是对于重原子和电子能谱学
中的电子能量(数 keV 范围)，Born 近似已不再成立。严格准确的微分弹性散射截面应该由相对论的 Dirac
方程导出，Mott 在 1929 年用散射问题的普遍方法（分波法）得到了相对论性微分弹性散射截面的一般数
的作用超过后者，也就是说电子云屏蔽了原子核的一部分的作用。
1
图10.1.1 电子在原子势场中散射的示意图。左图中为经典力学图像，在小面积 dσ 中的电子运动方向偏转θ 后被散射到立体角 dΩ 中，散射角θ 对应一个特定的碰撞参数 b 。右图为波动力学中电子散射的图像，散
射后球面波在θ 角方向的振幅为 f (θ ) ，动量转移为 q = k − k0 ，而散射前后的波矢大小或能量不变。
Bethe 理论
电子在物质中与原子的电子云发生碰撞，造成散射电子的能量损失。原子电子因而获得能量形成电子
电子与固体物质的相互作用
电子与固体物质的相互作用一、电子散射二、内层电子激发后的弛豫过程三、自由载流子四、电子与固体作用产生的各种信号五、相互作用体积与信号产生的深度和广度一、电子散射¾当一束聚焦电子束沿一定方向射入试样内，在原子库仑电场作用下，入射电子方向改变，称为散射。
¾原子对电子的散射可分为弹性散射和非弹性散射。
¾弹性散射中，电子只改变方向，基本无能量的变化。
¾非弹性散射中，电子不但改变方向，能量也有不同程度的减小，转变为热、光、X射线和二次电子等。
在非弹性散射过程中，¾入射电子把部分能量转移给原子，引起原子内部结构的变化，产生各种激发现象。
因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为电子激发。
电子激发是非电磁辐射激发的一种形式。
1.原子的散射截面¾一个电子被一个试样原子散射后偏转角等于或大于α角的几率可用原子散射截面σ(α)来度量。
¾原子散射截面可定义为电子被散射到等于或者大于α角的几率除以垂直入射电子方向上单位面积的原子数。
量纲为面积。
¾原子散射截面是弹性散射截面与非弹性散射截面之和，即σ(α)= σe(α)+ σi(α)σe(α)----原子的弹性散射截面；σi(α)----原子的非弹性散射截面。
原子对电子的散射又可分为¾原子核对电子的弹性散射，原子核对电子的非弹性散射；¾核外电子对电子的非弹性散射。
入射电子与原子核作用，被散射到大于2θ的角度以外，故可用πr n 2（以原子核为中心、r n 为半径的圆的面积）来衡量一个孤立原子核把入射电子散射到大于2θ角度以外的能力。
由于电子与原子核的作用表现为弹性散射，故将πr n 2叫做弹性散射截面，用σn 表示。
πr n 2: 原子的弹性散射面积。
¾弹性散射电子由于其能量等于或接近于入射电子能量E 0，因此是透射电镜中成像和衍射的基础。
2.原子核对电子的弹性散射试样的原子序数越大，入射电子的能量越小，距核越近，散射角越大。
电子与物质的相互作用
K态（K电子去除）
原子能量
K激发
Ⅰ Ⅱ Ⅲ L态（L电子去除） L激发
M N
M态（M电子去除） N态（N电子去除） 价电子去除 中性原子
二次电子
被入射电子(E<50ev)在样品的导带和价带里打出来的电子，称为 二次电子。 ● 二次电子在样品 (5-10nm) 和容易逸出表面，可用来表征样品表 面形貌信息。 ● 扫描透射模式(STEM)利用二次成像，具有比扫描电镜像有更高的 分辨率。扫描电镜中二次电子像的分辨率为 3-6nm ，透射电镜为 2-3nm。
●
真空 导带 价带
入射电子束 （如 100KeV） K
特征X射线
损失能量的电子
特征x射线示意图
不同材料X射线波长 不同，所以叫特征X射线， 波长取决于阳极靶元素的 原子序数。 特征X射线谱 是叠加在连续X射线谱上 的。
10 8 6 Mo 4 2 Cr 连续光谱
15.2 W β
37.2 特征光谱 α
●
透射电子
透过试样的电子束携带试样的成分信息，通过对这些透射电子损 失的能量进行分析，可以得出试样中相应区域的元素组成，得到作 为化学环境函数的核心电子能量位移信息。 ● 能量损失谱 (EELS) ：由于非弹性散射碰撞使电子损失一部分能量， 这一能量等于原子与入射电子碰撞前基态能量与碰撞后激发态能量 之差。 ● 如果最初电子束能量是确定的，损失的能量又可准确的测量，就 可以得到试样内原子受激能级激发态的精确信息。 ● EELS可以分析原子序数z>=1的元素。
●
入射高压电子束 背散射电子 俄歇电子
二次电子 特征X射线 可见光
吸收电子
样品
电子空穴对
韧致辐射X射线
弹性散射电子 透射电子
X射线的产生和性质
X射线产生效率（ η ）是产生的X线能量与高速电 子流的能量之比，即：
X 线能量 IV 2 Z ＝K ＝KVZ 高速电子流能量 IV
上式中，Z为原子序数，V为管电压，I为管 电流，K为比例常数，通常K＝10-9，上式可写成 η＝ZV×10-9。
由上式可知，X线的产生效率与管电压和靶物质的 原子序数成正比，高压波形越接近恒压，X线的产 生效率越高。 研究证明，X线管产生X线的效率极低，一般不足1 ％，而绝大部分的高速电子能都在阳极变为了热能， 使阳极靶面产生很高的温升。这是X线管不能长时 间连续工作的原因所在。因此X线管必须有良好的 散热冷却装置。 X射线的利用率也很低，不足总量的10%。绝大部 分都被阳极靶、管壳、管套、绝缘油等吸收。
二、厚靶周围X射线强度的空间公布
厚靶：是指把入射电子全部阻止，靶体几乎 把电子入射方向上产生的X射线全部吸收的 靶，称为厚靶。具有这种靶的X射线管称为 厚靶X射线管或称为反射式X射线管。这种靶 的靶面与垂直方向有一定的倾角——阳极角θ。
二、特征X射线
4.连续X线和特征X线的比例大小. 由上所述可知：高速入射电子与靶物质原子 作用，会产生连续X射线和特征X射线。连续 射线与特征射线的比例，随着管电压数值的 变化而变化。管电压升高，连续射线量所占 百分比减少，特征射线所占百分比增加。
二、特征X射线
对于钨靶X射线管，低于K系激发电压不会产 生K系放射；80～150KV时，特征放射只占 10％～28%；管电压高于150KV，特征放射 相对减少；管电压向300KV时，特征放射可 以忽略。 医用X射线主要是连续X射线，但在物质结构 的光谱分析中使用的是特征X射线。
表2-2
x射线的原理和应用
x射线的原理和应用一、x射线的原理x射线是一种高能电磁辐射，由电子束与物质相互作用产生。
其原理如下：1.电子束：x射线的产生需要一束高速运动的电子。
通常采用电子加速器或x射线管产生电子束。
2.电子束与物质的相互作用：电子束与物质相互作用时会发生电子-原子核相互作用、电子-电子相互作用和电子-原子轨道相互作用。
在这些相互作用下，电子会失去能量并发射出x射线。
3.x射线的产生：电子束与物质相互作用后，部分电子会失去能量并被重新组合，形成x射线。
x射线的能量取决于电子束的能量和物质的成分。
二、x射线的应用x射线在医学、工业和科学研究中有着广泛的应用。
1. 医学应用•诊断：x射线在医学诊断中起到了至关重要的作用。
医生可以利用x 射线影像来观察骨骼和内脏器官，从而发现病变和异常情况。
常见的应用包括X线检查、CT扫描和乳腺X线摄影等。
•放疗：x射线的高能量可以用于治疗肿瘤和其他疾病。
通过照射患者的肿瘤区域，x射线可以破坏癌细胞的DNA，从而达到治疗的目的。
2. 工业应用•材料检测：x射线可以用于材料的非破坏性检测。
通过对材料进行x 射线照射和观察，可以检测材料的结构和缺陷，如金属的裂纹和焊接接头的质量。
•质量控制：很多工业生产过程中都需要对产品进行质量控制。
x射线可以用于检测产品是否符合规格和标准，例如食品中金属异物的检测和纺织品的密度检测等。
3. 科学研究应用•结构分析：x射线衍射技术可以用于研究材料的结构。
通过将x射线束照射到样本中，研究者可以观察到x射线经过样本后的衍射图案，从而推断样本的结晶结构和晶体学参数。
•谱学分析：x射线也可以用于谱学分析。
通过测量x射线在材料中发生的散射和吸收现象，研究者可以获得材料的元素组成和化学环境等信息。
以上只是x射线应用的一部分，随着科技的发展，对x射线的研究和应用还将不断扩展和深化。
三、结语x射线是一种重要的电磁辐射，其原理和应用广泛而深入。
在医学、工业和科学研究领域，x射线发挥着巨大的作用。
电子与物质的相互作用
五、相互作用体积与信号产生的
1、相深互度作用和体广积度
当电子射入试样后，受到原子的弹性、非弹性 散射。特别是在许多次的散射后，电子在各个方 向散射的几率相等，也即发生漫射。由于这种 扩散过程，电子与物质的相互作用不限于电子入 射方向，而是有一定的体积范围，此体积范围称 为相互作用体积。
2、各种物理信号产生的深度和广度 俄歇电子<1nm 二次电子<10nm 背散射电子>10nm X射线1um
一、电子散射
当一束聚焦电子束沿一定方向射入试样时，在 原子库仑电场作用下，入射电子方向改变，称为散 射。原子对电子的散射可分为弹性散射和非弹性散 射。在弹性散射过程中，电子只改变方向，而能量 基本无损失。在非弹性散射过程中，电子不但改变 方向，能量也有不同程度的减少，转变为热、光、X 射线和二次电子发射。
原子对电子的散射可分为： 1. 原子核对电子的弹性散射 2. 原子核对电子的非弹性散射 3. 核外电子对入射电子的非弹性散射
二、内层电子激发后的弛豫过程 当内层电子被运动的电子轰击脱离原子后，原
子处于高度激发状态，它将跃迁到能量较低的状态， 这种过程称为弛豫过程。它可以是辐射跃迁，即特 征X射线；也可以是非辐射跃迁，如俄歇电子发射， 这些过程都具特征能量，可用来进行成分分析。
扫描电镜和电子探针中应用背散射电子成像
称为背散射电子像。其分辨率较二次电子象低。
2、 透射电子
当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，电 子从另一表面射出，这样的电子称为透射电子。
TEM就是应用透射电子成像的。如果试样只 有10~20nm的厚度，则透射电子主要由弹性散射 电子组成，成像清晰。
如果试样较厚，则透射电子有相当部分是非 弹性散射电子，能量低于E0，且是变量，经过磁 透镜后，由于色差，影响了成像清晰度。
带电粒子与物质的相互作用
带电粒子与物质的相互作用引言：带电粒子是指具有电荷的微观粒子，例如电子、质子等。
在物质中，带电粒子与其他物质之间会发生相互作用。
这种相互作用是物质世界中一种重要的基本现象，对于我们理解和应用自然界具有重要意义。
本文将从带电粒子与物质的相互作用的基本原理、类型和应用等方面进行阐述。
一、基本原理带电粒子与物质的相互作用遵循电磁相互作用力。
根据库仑定律，带电粒子之间的相互作用力与它们之间的电荷量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
这种相互作用力可以是吸引力，也可以是排斥力，取决于带电粒子之间的电荷性质。
二、类型1. 静电作用：带电粒子与物质之间的相互作用可以表现为静电作用。
当带电粒子靠近物质时，它们之间会发生电荷的转移或者重排，导致电荷的分布发生变化，从而产生静电力。
这种作用在电荷不移动的情况下发生，例如静电吸附、静电排斥等。
2. 磁场作用：带电粒子的运动会产生磁场，而物质对磁场也会产生响应。
当带电粒子通过物质时，物质中的电荷会受到磁场力的作用，并产生相应的运动或变化。
这种作用可以用于磁共振成像、磁性材料的制备等。
3. 电流作用：带电粒子在物质中运动时，会与物质中的电荷发生相互作用。
当带电粒子通过物质时，会产生电流，而电流会产生磁场。
这种作用可以用于电子输运、电磁感应等。
4. 能量转移：带电粒子与物质之间的相互作用还可以导致能量的转移。
当带电粒子与物质发生碰撞或相互作用时，它们之间的能量会发生转移，从而改变物质的性质或状态。
例如带电粒子的辐射与物质的相互作用会导致能量的转移，产生辐射损失。
三、应用带电粒子与物质的相互作用在科学研究和技术应用中具有广泛的应用价值。
1. 粒子加速器：粒子加速器利用带电粒子与物质之间的相互作用，通过电场或磁场加速带电粒子的运动。
这种技术被广泛应用于高能物理实验、核物理研究等领域。
2. 材料表征：带电粒子与物质的相互作用可以用于材料的表征。
例如扫描电子显微镜（SEM）利用电子与物质的相互作用，观察和分析材料的表面形貌和成分。
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2、 透射电子 当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，电 子从另一表面射出，这样的电子称为透射电子。 TEM就是应用透射电子成像的。如果试样只 有10~20nm的厚度，则透射电子主要由弹性散射 电子组成，成像清晰。 如果试样较厚，则透射电子有相当部分是非 弹性散射电子，能量低于E0，且是变量，经过磁 透镜后，由于色差，影响了成像清晰度。
1、背散射电子 电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散 射，有一部分电子的总散射角大于90°，重新从试 样表面逸出，称为背散射电子，这个过程称为背散 射。可分为弹性背散射、单次（多次）非弹性背散 射。通过接收电子的探测仪，可探测不同能量的电 子数目。如图所示： 扫描电镜和电子探针中应用背散射电子成像 称为背散射电子像。其分辨率较二次电子象低。
五、相互作用体积与信号产生的 深度和广度 1、相互作用体积
当电子射入试样后，受到原子的弹性、非弹性 散射。特别是在许多次的散射后，电子在各个方 向散射的几率相等，也即发生漫散射。由于这种 扩散过程，电子与物质的相互作用不限于电子入 射方向，而是有一定的体积范围，此体积范围称 为相互作用体积。
2、各种物理信号产生的深度和广度 俄歇电子<1nm 二次电子<10nm 背散射电子>10nm X射线1um
二、内层电子激发后的弛豫过程 当内层电子被运动的电子轰击脱离原子后，原 子处于高度激发状态，它将跃迁到能量较低的状态， 这种过程称为弛豫过程。它可以是辐射跃迁，即特 征X射线；也可以是非辐射跃迁，如俄歇电子发射， 这些过程都具特征能量，可用来进行成分分析。 三、各种电子信号 在电子与固体物质相互作用过程中产生的电子 信号，除了二次电子、俄歇电子和特征能量损失电 子外，还有背散射电子、透射电子和吸收电子等。
3、吸收电子 入射电子经过多次非弹性散射后能量损失殆尽， 不再产生其它效应，一般被试样吸收，这种电ห้องสมุดไป่ตู้称 为吸收电子。利用测量吸收电子产生的电流，既可 以成像，又可以获得不同元素的定性分布情况，它 被广泛用于扫描电镜和电子探针中。 综上所述，高能电子束照射在试样上将产生各 种电子及物理信号。利用这些信号可以进行成像、 衍射及微区成分分析。