非金属材料及应用 课件 TEM简介

透射电镜-TEM电子显微镜的发展简史透射电镜的原理及其构造透射电镜在催化剂表征中的应用眼见为实人裸眼辨识两点最小距离为0.05mm，头发丝1/2粗细墨翟—《墨经》伽利略——地心说牛顿——《自然科学和宇宙体系的数学原理》人类对光传播现象的认识“光之入照若射”《墨经》—世界上最古老的光学典籍。小孔成像光学八条阴影的定义与生成阴影与光的关系光的直线传播性光的反射性物影大小与光源的关系平面镜成像之物像关系凹面镜成像之物像关系凸面镜成像之物像关系光的特性反射性光的两大特性折射性认识较晚产生放大作用3500年前，墨翟《墨经》人的眼球是一种天然透镜，对光产生折射，使物体成像。光学显微镜的出现矫正视力不能提高人眼的分辨率16世界末期，光学显微镜发明19世纪末，光学显微镜分辨率达到0.2微米使人类第一次发现了丰富的微观世界显微镜的发明荷兰眼镜制造商ZachariasJansen（1580－1640）：发明人外观直筒形，由两个透镜（物镜、目镜）组成，放大倍数可达9倍不久，显微镜的透镜数增加二至三个（在物镜和目镜之间加了场镜），形成了我们现在所知的复式显微镜的基本光路结构17世纪80年代的显微镜，具有很高的观赏价值侧柱式复式显微镜，可用来研究尺寸较大的活的生物样品罗伯特胡克(RobertHooke,英国)主要贡献：1665年，Micrographia（显微图像学）Cell胡克根据他的显微观察绘制的软木的网状结构图胡克根据他的显微观察绘制的跳蚤图初探微观世界(a)一种绿色海藻的结构，每一根绿色条带都是由绿色小球组成，绿色条带的周长与人类头发丝的周长相仿(b)兔子的精子列文虎克（VanLeeuwenhoek，荷兰，Delft）列文虎克制造的简式显微镜，只有普通钥匙大小，遗留下500个，目前只有十几个分辨率为2微米人类历史第一次观察到微生物—细菌色差（chromaticaberration）球差（sphericalaberration）像散（stigmatism）畸变（distortion）彗星差（comaaberration）像场弯曲（curvatureoffield）单色像差影响显微镜的分辨率因素焦点：平行于透镜中轴的光在穿过透镜后会聚于透镜后面的位于中轴上的一个点。焦距：聚焦点到透射中心点的距离。远轴焦点焦距双凸透镜入射光近轴焦点透镜球差：轴上点的单色相差，是由于透镜的球形表面造成的。球差造成的结果是，一个点成像后，不在是个亮点，而是一个中间亮边缘逐渐模糊的亮斑，从而影响成像质量。显微光学透镜色差：白光由红橙黄绿青蓝紫七种组成，各种光的波长不同，所以在通过透镜时的折射率不同，这样物方一个点，在象方可能形成一个色斑。色散现象：日光是由七色光组成雨后彩虹色散现象使各色光在透镜后面的聚焦点不一样，即聚焦不同。蓝光焦距最短，红光最长色散效应使透镜成像时，得到分别由七色光聚于不同焦点而成的七幅像叠加在一起。由于各色光焦距不同，使得无法精确将七幅像完全一一对应地叠加，造成像的模糊—透镜色差。放大倍数—人眼从显微镜目镜所见的被观察物之尺寸与原物尺寸的比值。人眼在明视距离(250mm)的分辨本领为0.2mm。因此需将物镜能鉴别的距离经放大成0.2mm以上的像方能被人眼分辨。M有效=人眼分辨率光镜分辨率=0.2mm200nm=1000倍多透镜组合的总放大倍数＝各透镜放大倍数的乘积分辨率—能辨识的两点或两线间的距离，即成为衡量显微镜功能的一个重要标准。分辨率越高，能辨识的两点或两线之间的距离就越小。放大倍数&分辨率光镜的有效放大倍数

由于光的衍射，使得由物平面内的点O1、O2在象平面形成一B1、B2圆斑（Airy斑）。若O1、O2靠的太近，过分重叠，图象就模糊不清。（a）（b）图（a）点O1、O2形成两个Airy斑；图（b）是强度分布。B1分辨率AB图（a）两个Airy斑明显可分辨出。图（b）两个Airy斑刚好可分辨出。图（c）两个Airy斑分辨不出。阿贝定理波长越短，分辨率越高d—两个物点的间距λ—光波在真空中的波长；α—孔径角之半；ｎ—透镜和物体间介质折射系数提高显微镜分辨率：减少波长，增大数值孔径，增大介质的折射系数刚好能分辨屏幕上两个点光源像时的O1和O2的距离d称为显微镜的分辨率分辨率和放大倍数无关显微镜的终极目标看清尽量小的物体无损伤观察活体，呈现清晰的像及最好的衬度胡克：“借助于显微镜，没有什么东西能小到能逃脱我们的探究。”19-20世纪，显微镜分辨率为0.2-0.3微米，但仍存在看不到的物体光学显微镜的无奈1897-1898年，口蹄疫情爆发烟草植物疾病超小尺寸病毒光学显微镜分辨率为0.2微米电子光学的产生和发展阴极射线的研究电子光学理论的出现电子显微镜的发明在稀薄空气中由高电压导致的电流射线X射线的发现伦琴妻子的手骨X射线透视照片X射线是制造高分辨显微镜的理想光源：具有波动性，波长短（<=0.154nm），很强的穿透本领。阻碍：没有办法制造出使X射线聚焦的透镜1923-1926年，三项重要发现推动了电子显微镜的发明m－电子质量，v－电子速度，h－普朗克常数,电子的波粒二象性的设想电子波长的表达式加速电压20万伏，电子波长为0.005纳米薛定谔方程：电子波在电磁场中的运动方程，阐明了电子的传播动力学轨迹与光学系统的概念相对应的事实，提出光波可经透镜聚焦，电子束也可以聚焦布施发现了轴对称对电子束的透镜聚焦效应德布罗意电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力使其会聚或发散，从而达到成象的目的。短磁透镜（由非均匀轴对称磁场制成的透镜)和静电透镜（由静电场制成的透镜）相比有如下的优点

短磁透镜

静电透镜1.改变线圈中的电流强度可很方便的控制焦距和放大倍数2.无击穿，供给磁透镜线圈的电压为60到100伏3.象差小。1.需改变很高的加速电压才可改变焦距和放大倍数2.静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿3.象差较大。电子透镜目前，应用较多的是短磁透镜，我们只是分析短磁透镜是如何工作的进水口出水口水冷面电子束通道软铁极靴缝隙口径电源磁透镜结构剖面图OO’zAC电子在磁透镜中的运动轨迹铜线圈磁透镜的设计电子的波动性极小的电子波长电子束聚焦的实现电子传播动力学理论的建立电子束代替光束电磁透镜代替玻璃透镜电子显微镜的诞生ErnstRuska：德国，1906.12.25，5/7MaxKnoll：助教鲁斯卡——电镜发明人1928-1929年，验证布施的电镜聚焦说制作了真正意义的电磁透镜Ruska获1986年物理NobelPrizeFirstcommercialTEMin1938(Siemens)with50nmresolution世界上三大电镜制造商：日本电子（JEOL)、日立（Hitachi）、FEI（美国）JEOL系列Tecnai系列H-700透射电镜工作原理照明源发出的光线或电子束由聚光镜调节后，成平行射线入射幻灯片或样品后射出，经由物镜后投影成像。电子枪镜筒观察室试样架EDS探测器操作面板扫描像观察室现代透射电镜外形示意图电子枪部分加速管、偏转系统照明透镜系统加大、成像透镜系统观察室和照明室透射电镜侧剖面结构图透射电镜成像原理图电镜光镜射线源电子束可见光介质真空空气透镜磁场玻璃放大倍数几十至几百万倍约1000倍放大作用改