第2章光学显微分析

理学院郭敏杰第2章光学显微分析第2章光学显微分析2.1材料形貌分析简介2.2光学几个基本知识2.3几种常用显微镜的工作原理2.4光学显微分析的发展2.5显微镜的成像原理2.6偏光显微镜2.1材料形貌分析简介物体的表面是物质存在的一种客观形式，固体从体相延伸到表面，最终在表面形成原子及其电子分布的终端，从而导致表面具有体相所不具备的新的特点和新的特征。同时也破坏了物体的连续性。因此研究物体的表面比研究物体的体相有更大的难度。在表面分析中，由于表面层的光学干涉、表面缺陷、粒度大小等表面变化为微观变化，实测结果往往与常规观察的判断有很大的区别。材料的形貌也是材料分析的重要组成部分，主要分析材料的几何形貌，材料的颗粒度以及颗粒度的分布等方面。光学显微镜和电子显微镜（扫描电子显微镜SEM；透射电子显微镜TEM；扫描隧道显微镜STM；原子力显微镜AFM）人眼：0.2mm/250mm光学显微镜：0.2um电子显微镜：0.2nm2.2基本知识(几个重要的分辨率)人眼：通常在25cm的明视距离内，人眼只能分辨相距0.1-0.2mm的两个物体。即物体相距不到0.1mm的时候，人眼就会把它们看成是一个物体。这个极限即为人眼的分辨本领。显微镜的分辩本领：z＝0.61×λ/（nsinα），显微镜的分辩本领与光的波长成正比。光的波长越长，其分辨率越低。只有采用比较短的波长的光线，才能获得较高的放大倍数。光学显微镜：由于可见光波的波长在500nm左右，其衍射效应使得光学显微镜的分辨本领不能小于200nm。电子显微镜：电子波λ＝(1.50/E)1/2nm。当加速电压为100kV时，电子的波长仅为0.0037nm；当E=30KeV时,λ≈0.007nm。电子显微镜可以获得很好的高分辨率图像，0.2-0.5nm.2.3几种常用显微镜的工作原理基本原理

SEM是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的某种物理信号来调制一个同步扫描的显象管在相应位置的亮度而成象的显微镜。三种显微镜比较分辨率影响因素由于电子束的波长很短，理论上电镜可以达到很高的分辨率；在光学显微镜中决定分辨率的是光的波长，象差不是主要原因；在电子显微镜中，波长已经不是决定性因素；而透镜产生的象散和球差，电子波产生的色差和衍射差是主要因素；15世纪中叶：放大镜（单式显微镜）1590年荷兰HansandZachariasJanssen：复式显微镜17世纪中叶R.Hooke：设计第一台性能较好的显微镜ChristiaanHuygens：惠更斯目镜19世纪德国ErnstAbbe阐明光学显微镜成像原理，光学显微镜分辨本领达0.2微米理论极限2.4光学显微分析的发展光学显微镜的局限性一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示金属材料的显微组织，借以弄清楚组织、成分、性能的内在联系。但光学显微镜的分辨本领有限，对诸如合金中的G.P区（几十埃）无能为力。光学显微镜分类

——几何光学显微镜

生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、暗视野显微镜等。——物理光学显微镜相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。——信息转换显微镜

荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。——特种光学显微镜高温显微镜、近场光学显微镜等。光学显微镜基本结构：1.

照明灯(Lamp)2.

聚光器(Condenser)3.

载物台和切片夹(Mechanicalstageandspecimenretainer)4.

推进器(Mechanicalstageadjustmentknob)5.

物镜(Objectives)6.

粗细螺旋(Courseandfinefocusknob)7.

目镜(Oculars)8.

照相机等接口(Connectiontocamera,etc.)2.5显微镜的成像原理yF1F2L1L2物镜目镜f1f2y25cm显微镜的放大率：1.显微镜的光路图和放大率：2.光学系统的分辨本领光学仪器的圆孔衍射现象限制了光学系统分辨物体细节的能力。分辨极限:光学系统能分辨开两物点的最短距离。分辨本领:最短距离的倒数称为光学系统的分辨本领。AB’B物镜两物点A’相应两象点艾里斑瑞利判据A1A2A1A2A1A2θ=2θ＞2θ＜2ZD3.显微镜的分辨本领两个物点（A1和A2）刚能够被分辨的条件是：一个物点的衍射亮斑的第一暗环正好与另一个物点的衍射亮斑中央点重合。此时Z为刚能分辨的最短距离（即显微镜的分辨距离）。显微镜的分辨本领：显微镜能分辨最短距离的能力用1/Z表示。Z越小，分辨本领越高。

根据瑞利判据，得显微镜的分辨距离：物镜的数值孔径：物镜β强度Z（推导略）Z,最小分辨距离;λ,波长;n,透镜周围的折射率;β,透镜对物点张角的一半;4.提高显微镜分辨本领的两个途径：⒈增大物镜的数值孔径N.A.（比如：采用油浸镜头）盖玻片n=1.52n=1β干物镜物镜(n=1.52)油浸物镜油n=1.52β标本低倍镜、高倍镜以空气为介质，而油镜需以香柏油或石蜡油为介质。这样就避免了由于油镜镜孔小，而使进入物镜的光线产生折射，从而导致视野暗淡，物像不清现象的发生。4.提高显微镜分辨本领的两个途径：⒉减小照射光的波长λ（采用紫外线、电子射线）放大率即放大倍数，是光镜性能的另一重要参数。它主要有4×、10×、40×和100×四种，其中4×和10×为低倍镜，40×为高倍镜，100×为油镜。镜头长度随倍数的增加依次增长，而在不同放大倍数的物镜筒上还标有不同颜色的环，以用于区别。低倍镜、高倍镜以空气为介质，而油镜需以香柏油或石蜡油为介质。这样就避免了由于油镜镜孔小，而使进入物镜的光线产生折射，从而导致视野暗淡，物像不清现象的发生。1.偏光显微镜的构造2.6偏光显微镜将普通光改变为偏振光进行镜检的方法，以鉴别某一物质是单折射（各向同性）或双折射性（各向异性）。双折射性是晶体的基本特征。因此，偏光显微镜被广泛地应用在矿物、化学等领域。在生物学中，很多结构也具有双折射性，这就需要利用偏光显微镜加以区分。在植物学方面，如鉴别纤维、染色体、纺锤丝、淀粉粒、细胞壁以及细胞质与组织中是否含有晶体等。在植物病理上，病菌的入侵，常引起组织内化学性质的改变，可以偏光显微术进行鉴别。在人体及动物学方面，常利用偏光显微术来鉴别骨骷、牙齿、胆固醇、神经纤维、肿瘤细胞、横纹肌和毛发等。

1、机械部分镜座：承受重力镜臂：装镜筒，可倾斜载物台：承载观察物，可转动，有0～360度刻度及游标、固定螺丝，中央圆孔，固定弹簧夹

2、光学部分反光镜：有平、凹两面，光线弱或用高倍物镜时用凹面下偏光镜：将自然光转变为偏光锁光圈：调节进光量的大小聚光镜：将平行光线变为锥光镜筒：可调节升降，上接目镜，下接物镜，镜筒光学长度为物镜后焦到目镜前焦目镜上偏光镜：方向AA，垂直下偏光镜勃氏镜：观察锥光时使用的放大系统

1.偏光显微镜的构造物镜：透镜越小，镜头越长，放大倍数越大。物镜一般由1～5片透镜组成。放大倍数一般低倍4X，中倍10X-25X，高倍45X以上，油浸100X。光孔角：前透镜最边缘的光线与前焦点所构成的角度数值孔径：等于光孔角正弦乘介质折射率N。数值孔径越大，放大倍数越高。同一放大倍数，数值孔径越大，分辨率越高物镜的分辨率就是显微镜的分辨率，它取决于数值孔径的大小及所用光波的波长光学显微镜最高分辨率为2000埃，最大放大倍数为2000倍。一组物镜占一台显微镜总价值的五分之一到二分之一。

1.偏光显微镜的构造二、偏光显微镜的调节与使用

1·装卸镜头A·装目镜：直接插上即可B·装物镜：物镜与镜筒的接合类型有弹簧夹型、销钉型及转盘型。注意安装到位2·调节视域亮度镜头装好以后，推出上偏光，勃氏镜，打开锁光圈，转动反光镜对准光源，调节视域亮度。光线不要太强3·调节焦距A·放上薄片，手摸一下，一定要盖玻片朝上，用弹簧夹夹好B·下降镜筒。用粗调旋扭朝前旋转，眼睛从侧面注视镜头，将镜头下降到镜头工作距离以内，切匆使镜头与薄片接触，以免损坏镜头。要锻炼能两个眼睛都睁开看。

2.薄片制备4·校正中心A·在视域内选一小点置于十字丝中心B·转动物台180度，注意观察小点的位置和轨迹C·拧校正螺旋，使小点内移到中心距离的二分之一D·手移薄片，使小点回中心。再旋物台，若小点还有偏移，重复上述操作5·校正偏光镜方向找一块黑云母，置于视域中心旋转物台，使解理缝为左右方向旋动下偏光镜使其颜色最深，此时的下偏光镜为PP方向取下薄片，推入上偏光镜，使视域全黑。则上下偏光镜正交。

2.薄片制备3.偏光显微镜在高分子结构研究中的应用基本原理聚合物晶体像其他晶体一样，也是对光各向差异性的，会