第2章 电子显微镜技术

像散
极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、 极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的材料材质不 均以及极靴孔周围局部污染等原因都会使磁透镜的磁场产生椭 圆度。 透镜磁场的这种非旋转对称， 圆度 。 透镜磁场的这种非旋转对称 ， 会使它在不同方向上的聚 焦能力出现差别， 焦能力出现差别，结果使成像物点P通过透镜后不能在象平面上 聚焦成一点。 聚焦成一点。 可通过下式计算： 像散的大小△rA可通过下式计算：
2.2 电子波，电子透镜与电子光学 电子波，
电子是一种带一个单位负电荷的微观粒子， 电子是一种带一个单位负电荷的微观粒子，它具 有波粒二象性。 有波粒二象性。 电子波是一种概率波， 其波长与动量成反比， 电子波是一种概率波 ， 其波长与动量成反比 ， 主要 取决于加速电压和电子的质量。如果电子速度较低， 取决于加速电压和电子的质量 。 如果电子速度较低 ， 则它的质量和静止质量相近， 则它的质量和静止质量相近，即m ≈ m0。
电磁透镜的像差和分辨率
一、像差
即使忽略了电子的衍射效应对成像的影响， 即使忽略了电子的衍射效应对成像的影响，电磁 透镜也不能把一个理想的物点聚焦成一个理想的像 点。 电磁透镜的像差分为几何像差和色差两类。 电磁透镜的像差分为几何像差和色差两类。几何 像差是因为电磁透镜几何形状上的缺陷造成的， 像差是因为电磁透镜几何形状上的缺陷造成的，主 要有球差和像散； 要有球差和像散；色差是电子波的波长或能量发生 一定幅度的改变引起的。 一定幅度的改变引起的。
h h λ= = p 2emU
h为普朗克常数，m为电子的质量；e为电子所带的电 为普朗克常数， 为电子的质量 为电子所带的电 为电子的质量； 为普朗克常数 荷，U为加速电压。 为加速电压。 为加速电压
如果加速电压很高，使电子具有极高的速度，则必须 如果加速电压很高， 使电子具有极高的速度， 经过相对论校正， 经过相对论校正，此时
• • • • • • 眼睛 放大镜 光学显微镜 电子显微镜 高分辨电子显微镜 扫描隧道显微镜
可见光观测，几何光学
眼睛
放大镜
显微镜
早在公元前一世纪，发现通过球形透明物体 早在公元前一世纪， 去观察微小物体时，可以使其放大成像。 去观察微小物体时，可以使其放大成像。 1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者已经 1590年 造出类似显微镜的放大仪器。 造出类似显微镜的放大仪器。 1610年前后，伽利略和开普勒在研究望远 1610年前后， 年前后 镜的同时，得出合理的显微镜光路结构，当 镜的同时，得出合理的显微镜光路结构， 时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造和改 列文虎克（ 列文虎克（1632~1723） ） 进。 17世纪中叶，英国的罗伯特.胡克和荷兰的 17世纪中叶，英国的罗伯特. 世纪中叶 列文.虎克，都对显微镜的发展作出了卓越 列文.虎克， 的贡献。1665年前后，胡克在显微镜中加 的贡献。1665年前后， 年前后 入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标 入粗动和微动调焦机构、 本片的工作台。这些部件经过不断改进，成 本片的工作台。这些部件经过不断改进， 为现代显微镜的基本组成部分。 为现代显微镜的基本组成部分。 1673～1677年期间，列文胡克制成单组元 1673～1677年期间， 年期间 放大镜式的高倍显微镜，其中九台保存至今。 放大镜式的高倍显微镜，其中九台保存至今。 胡克和列文胡克利用自制的显微镜，在动、 胡克和列文胡克利用自制的显微镜，在动、 植物机体微观结构的研究方面取得了杰出的 成就。 成就。
我们把静电场的等位面做成凸透镜形 状 ， 那么平行电子束也将会聚在一个焦 点上。在静电透镜的示意图中， 点上 。 在静电透镜的示意图中 ， 相应的 电力线方向如图所示。 电力线方向如图所示 。 在垂直于电力线 的方向画出等位面， 的方向画出等位面 ， 其形状与凸透镜相 当平行的电子束从低向高入射时， 似 。 当平行的电子束从低向高入射时 ， 就会在圆筒轴线的某一点上聚焦。 就会在圆筒轴线的某一点上聚焦。 早期的电子显微镜中曾使用过静电透镜。 早期的电子显微镜中曾使用过静电透镜 。 由于静电透镜需要很强的电场， 由于静电透镜需要很强的电场 ， 常在镜 筒内产生弧光放电和电击穿， 筒内产生弧光放电和电击穿 ， 低真空度 情况下尤为严重。 情况下尤为严重 。 静电透镜焦距不能很 因而不能很好地矫正球差。 短 ， 因而不能很好地矫正球差 。 现在制 造的透射电子显微镜， 造的透射电子显微镜 ， 静电透镜仅用于 使电子枪中的阴极发射出的电子会聚成 很细的电子束，而不用来成像。 很细的电子束，而不用来成像。
λ=
h = p h 2em0U (1 + eU ) 2 2m0 c
在常用的100～ 200kV 加速电压下，电子波的波长比可见光小5 kV加速电压下 在常用的 100～200 kV 加速电压下 ， 电子波的波长比可见光小 5 100 个数量级！ 个数量级！
静电透镜
电子在静电场中由于受到电场力的作用， 电子在静电场中由于受到电场力的作用，将使运动方向发生偏 如图所示。 转，如图所示。
1850年出现了偏光显微术； 1850年出现了偏光显微术； 年出现了偏光显微术 1893年出现了干涉显微术 年出现了干涉显微术； 1893年出现了干涉显微术； 1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造 1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造 了相衬显微术，他为此在1953 1953年获 了相衬显微术，他为此在1953年获 得了诺贝尔物理学奖。 得了诺贝尔物理学奖。 古典的光学显微镜只是光学元 件和精密机械元件的组合， 件和精密机械元件的组合，它以人 眼作为接收器来观察放大的像。 眼作为接收器来观察放大的像。 后来在显微镜中加入了摄影装置， 后来在显微镜中加入了摄影装置， 以感光胶片作为可以记录和存储的 接收器。 接收器。 现代又普遍采用光电元件、 现代又普遍采用光电元件、电视摄 象管和电荷耦合器等作为显微镜的 接收器， 接收器，配以微型电子计算机后构 成完整的图象信息采集和处理系统。 成完整的图象信息采集和处理系统。
磁透镜与光学透镜的比较
光学透镜成像时，物距 象距L 光学透镜成像时，物距L1、象距 2、焦距 f 三者之间 满足下述关系式： 满足下述关系式：
1 1 1 = + f L1 L2
由于光学透镜的焦距 f 是不能改变的，要满足成像条 是不能改变的， 必须同时改变L 件，必须同时改变 1和L2。 与光学透镜相似，电磁透镜成像时也必须满足上式。 与光学透镜相似，电磁透镜成像时也必须满足上式。 但磁透镜的焦距可以通过改变线圈中通过电流的大小 来调节。采用磁透镜成像时，可以在固定 的情况下， 来调节。采用磁透镜成像时，可以在固定L1的情况下， 改变f和 来满足成像条件；也可以保持L 不变， 改变 和L2来满足成像条件；也可以保持 2不变，改变 f和L1来满足成像条件 和
球差是由于磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射 能力不同造成的，离透镜主轴较远的电子（远轴电子） 能力不同造成的，离透镜主轴较远的电子（远轴电子） 比主轴附近的电子（近轴电子）折射能力强， 比主轴附近的电子（近轴电子）折射能力强，从而形成 了球差。球差大小表示为 了球差。 1 ∆rs = Csα 3
19世纪 ， 高质量消色差浸液物镜的出现， 19 世纪， 高质量消色差浸液物镜的出现 ， 世纪 使显微镜观察微细结构的能力大为提高。 使显微镜观察微细结构的能力大为提高。 1827年阿米奇第一个采用了浸液物镜 年阿米奇第一个采用了浸液物镜。 1827年阿米奇第一个采用了浸液物镜。 19世纪 70年代 世纪70 年代， 19 世纪 70 年代 ， 德国人阿贝奠定了显微镜 成像的古典理论基础。 成像的古典理论基础。 这些都促进了显微镜制造和显微观察技术 的迅速发展，并为19 世纪后半叶包括科赫、 19世纪后半叶包括科赫 的迅速发展 ， 并为 19 世纪后半叶包括科赫 、 巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细 恩斯坦.阿贝（1840-1905） 菌和微生物提供了有力的工具。 菌和微生物提供了有力的工具。
第2章 电子显微镜技术
本章主要内容
• • • • • • • 显微观测技术的发展历史简介 电子波， 电子波，电子透镜与电子光学 透射电子显微镜（ 透射电子显微镜（TEM） ） 透射电子显微镜样品制备 电子衍射 扫描电子显微镜（ 扫描电子显微镜（SEM） ） 电子探针显微分析
2.1 显微观测技术的发展历史简介
一种带有铁壳的电磁透镜示意图。导线外围的磁力线都在 铁壳中通过，由于在软磁壳的内侧开有一道环状的窄缝， 可以减小磁场的广延度，使大量磁力线集中在缝隙附近的 狭小区域内，增强了磁场的强度。 为了进一步缩小磁场 轴向宽度，还可以在 环状间隙两边，接出 一对顶端成圆锥状的 极靴，带有极靴的电 磁透镜可使有效磁场 集中在沿透镜轴向几 毫米的范围内。
Hale Waihona Puke 现代偏光显微镜干涉显微镜
光学显微镜的分辨率极限
物体上的光点通过显微镜成像时，在象平面上得到的是一个中心最亮、 物体上的光点通过显微镜成像时，在象平面上得到的是一个中心最亮、周 围常有明暗相间同心圆环的圆斑，即埃利（Airy） 围常有明暗相间同心圆环的圆斑，即埃利（Airy）斑。若样品上有两个光点 通过显微镜成像，在象平面上会产生两个埃利斑A A、B通过显微镜成像，在象平面上会产生两个埃利斑A′、B′。 如果这两个埃利斑相互靠近 至两者中心间距等于第一暗 环半径 R 0 ， 此时两个光斑强 度峰间的强度谷值比强度峰 值低19%（设强度峰值为 100% 100 % ） ， 这个反差值是人眼 能分辨出两个物点像的临界 值 。 通常把两埃利斑中心间 距等于 R 0 时 ， 样品上对应的 两个物点间的距离 △ r 0 定义 为显微镜能分辨的最小距离， 为显微镜能分辨的最小距离 ， 即显微镜的分辨率， 即显微镜的分辨率 ， 它决定 了显微镜分辨试样细节的程 度。
由衍射效应所决定的分辨率在理论上可以采用Rayleigh公式计算： 由衍射效应所决定的分辨率在理论上可以采用Rayleigh公式计算： Rayleigh公式计算