光学与电子光学基础

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1、材料近代分析方法刘胜新8/15/20211第二章光学和电子光学基础8/15/20212学习本章的目的和意义扫描电子显微镜（SEM）透射电子显微镜（TEM）工作基础8/15/20213为什么需要电子显微学？了解微观结构与材料性能的关系正确使用电子显微技术充分发挥电子微区分析功能表征技术的进步8/15/20214表征技术的进步代表科学的发展水平开拓新兴学科领域细胞的微观结构(1945)病毒的微观结构（1963）->结构生物学诺贝尔生物奖(1974)诺贝尔化学奖(1980TEM的发明(1934)；STM的发明（1981）诺贝尔物理奖(1986）8/15/202152.1光学显微镜的分辨率及其限制光

2、学显微镜→Fe-C合金组织图1光学显微镜形貌图2扫描显微镜形貌8/15/20216一、分辨率（Resolution）?分辨率：能分清两个微小物体的能力。人眼的分辨率：0.1-0.2mm。?为什么光学显微镜的分辨率不高？？8/15/20217二、光学显微镜的聚集与放大作用光源聚光镜试样物镜中间像目镜毛玻璃照相底板图3光学显微镜光路图8/15/20218⑴光轴：过透镜中心的各条直线叫光轴，光线都不发生折射。⑵聚焦：平行于主轴的平行光束通过凸透镜后会聚在主轴上的一个点（焦点、前焦点、后焦点）；⑶逆聚焦：前焦点处散射的光过凸透镜后成平行光线；⑷焦面：过焦点（F）平行于主轴的平面；⑸物距：物平面到主平

3、面的L1；⑹像距：过焦点并垂直主轴的平面的L2。1、基本概念8/15/202192、放大原理（1）L1恒＞0，L2＞0时，在另一侧得倒立的实像；L2＜0时，在同侧得正立的虚像。3、放大倍数：为像与物的长度比＝像距∕物距（2）当2f＞L1＞f，L2＞2f，M＞1L1＜2f，2f＞L2＞f，M＜18/15/202110三、光学显微镜分辨本领的理论极限1.Airy斑由于光波的波动性，使得由透镜各部分折射到像平面上的像点及其周围区域的光波发生相互干涉作用，产生衍射效应。由物平面内的点S1、S2在像平面形成一S1’、S2’圆斑，这种圆斑是由一定大小的中央亮斑和一系列同心环组成，称为Airy斑。它是由于

4、衍射作用所致。物面物镜像面Airy斑图4Airy斑形成示意图8/15/202111其中，l－光波长；n－物方介质折射率；a－透镜的孔径半角，即透镜所能容纳的来自物上某点的最大光锥半顶角；nsina－习惯上被称为数值孔径，可用N.A.来表示；M－放大倍数。2.Airy斑半径（3）8/15/202112图5（a）两个Airy斑明显可分辨出图5（b）两个Airy斑刚好可分辨出图5（c）两个Airy斑分辨不出I0.81I8/15/2021133.分辨率ΔrdΔrd＝Rd∕M对于光学透镜，最大a＝70～75°，若物方介质为油，n＝1.25～1.35，则：Δrd≈0.5l。对于光学显微镜，N.A.的值均

5、小于1，油浸透镜也只有1.5—1.6，而可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨本领不能再次提高。（4）8/15/202114光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光λ＝390～760nm，则光学显微镜分辨本领极限为200nm（0.2mm）。若两点间距离＜200nm，则无法分辨。把0.2μm放大到0.2mm让人眼能分辨的放大倍数是1000倍。这个放大倍数称之为有效放大倍数。光学显微镜的分辨率在0.2μm时，其有效放大倍数是1000倍。8/15/202115光学显微镜的放大倍数可以做的更高，但是，高出的部分对提高分辨率没有贡献，仅仅是让人眼观察更舒服

6、而已。所以光学显微镜的放大倍数一般最高在1000-1500之间。光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。8/15/202116四、如何提高显微镜的分辨率根据分辨率Δrd的计算公式可知，要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。比可见光波长更短的有：1）紫外线——波长在13-390nm之间，会被物体强烈的吸收；2）X

7、射线——但是，迄今为止还没有找到能使X射线改变方向、发生折射和聚焦成像的物质，也就是说还没有X射线的透镜存在。因此目前紫外线、X射线均不能作为显微镜的照明光源。3）电子波电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。电子波可做为显微镜的照明光源，这种显微镜即为电子显微镜。8/15/2021172.2光学和电子光学基础一、电磁透镜能使电子束聚焦的装置称为电