电子显微镜原理
电子显微镜光学显微镜成像原理异同点
电子显微镜光学显微镜成像原理异同点电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。
电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示。
20世纪70年代，透射式电子显微镜的分辨率约为0.3纳米(人眼的分辨本领约为0.1毫米)。
现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，而光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。
1931年，德国的克诺尔和鲁斯卡，用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器，并获得了放大十几倍的图象，证实了电子显微镜放大成像的可能性。
1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨能力达到了50纳米，约为当时光学显微镜分辨本领的十倍，于是电子显微镜开始受到人们的重视。
到了二十世纪40年代，美国的希尔用消像散器补偿电子透镜的旋转不对称性，使电子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达到了现代水平。
在中国，1958年研制成功透射式电子显微镜，其分辨本领为3纳米，1979年又制成分辨本领为0.3纳米的大型电子显微镜。
电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。
其他的问题，如电子枪亮度和电子透镜质量的提高等问题也有待继续研究。
分辨能力是电子显微镜的重要指标，它与透过样品的电子束入射锥角和波长有关。
可见光的波长约为300～700纳米，而电子束的波长与加速电压有关。
当加速电压为50～100千伏时，电子束波长约为0.0053～0.0037纳米。
由于电子束的波长远远小于可见光的波长，所以即使电子束的锥角仅为光学显微镜的1％，电子显微镜的分辨本领仍远远优于光学显微镜。
电子显微镜由镜筒、真空系统和电源柜三部分组成。
镜筒主要有电子枪、电子透镜、样品架、荧光屏和照相机构等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体；真空系统由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成，并通过抽气管道与镜筒相联接；电源柜由高压发生器、励磁电流稳流器和各种调节控制单元组成。
电子显微镜和原子力显微镜
电子显微镜和原子力显微镜是现代科技领域的两个重要成果。
它们在原子级别的物体探测方面发挥了重要作用，为科学家探索和认识新材料、生物、化学和物理学提供了强有力的工具。
本文将介绍的工作原理、优缺点以及在科学发展中的应用。
一、电子显微镜电子显微镜（electron microscope）是一种利用电子束成像的显微镜。
它的工作原理是将电子束聚焦在一个物体上，通过物质与电子发生相互作用，产生散射和吸收，然后将反射电子信号转换成图像显示出来。
电子显微镜分为透射电子显微镜和扫描电子显微镜两种类型。
透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）适用于研究纳米和分子级别的物质结构。
它的分辨率可以达到Å级别，可以看到原子层面上的结构。
透射电子显微镜的缺点是需要样品切片，并且操作和维护成本较高。
扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）适用于研究表面形貌和构造。
它可以通过扫描电子束扫描样品表面，得到表面形貌的图像。
扫描电子显微镜的分辨率约为几纳米到十几纳米，比透射电子显微镜低一些。
扫描电子显微镜不需要样品切片，操作维护相对便宜。
电子显微镜在材料科学、生物学、纳米技术、化学等领域都有广泛的应用。
它可以用来观察材料的微观结构、研究细胞和分子结构、分析材料成分和颗粒大小等。
二、原子力显微镜原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是一种利用原子力成像的显微镜。
它的工作原理是利用探针扫描样品表面，探针尖端会产生原子力，这个力与样品表面的形态密切相关，被探测器检测到后被转化为图像。
原子力显微镜的分辨率可达到分子和原子级别，比透射电子显微镜高。
原子力显微镜有两种类型，即接触式原子力显微镜和无接触式原子力显微镜。
接触式原子力显微镜适用于测量比较硬的材料，如金属和半导体。
无接触式原子力显微镜适用于测量比较柔软和薄的材料，如生物大分子和薄膜。
电子显微镜的工作原理
电子显微镜的工作原理电子显微镜是一种利用电子束来观察微观结构的仪器，其工作原理主要包括电子发射、电子透镜系统、样品与电子相互作用和信号检测等几个方面。
首先，电子显微镜的工作原理之一是电子发射。
电子显微镜中的电子是通过热发射或场发射的方式产生的。
在热发射中，通过加热钨丝或其他材料，使其表面的电子获得足够的能量，从而跃迁到空穴态，形成电子云，最终逸出金属表面。
而在场发射中，则是通过外加电场使金属表面的电子获得足够的能量，克服表面势垒而逸出金属表面。
其次，电子显微镜的工作原理还涉及到电子透镜系统。
电子透镜系统包括电子透镜和投影镜。
电子透镜通过调节电压和电流，控制电子束的聚焦和偏转，从而实现对样品的扫描和成像。
而投影镜则用于放大和观察样品的显微图像。
另外，电子显微镜的工作原理还包括样品与电子相互作用。
样品与电子相互作用是电子显微镜成像的基础。
当电子束照射到样品表面时，会发生多种相互作用，如散射、透射、吸收等。
不同的相互作用会产生不同的信号，从而形成样品的显微图像。
最后，电子显微镜的工作原理还涉及到信号检测。
在电子显微镜中，常用的信号检测方法包括透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。
透射电子显微镜通过测量透射电子的强度和角度，来获取样品的内部结构信息。
而扫描电子显微镜则通过测量样品表面反射、散射和二次电子等信号，来获取样品的表面形貌和成分信息。
总的来说，电子显微镜的工作原理涉及电子发射、电子透镜系统、样品与电子相互作用和信号检测等几个方面。
通过这些原理的相互作用，电子显微镜能够实现对微观结构的高分辨率成像，为科学研究和工程应用提供了重要的技术手段。
tem工作原理
tem工作原理
TEM（透射电子显微镜）工作原理是利用电子束穿透物质样
本并通过透射方式形成样本的显微图像。
TEM是一种高分辨
率的显微镜，可用于观察和研究非常细小的物质结构。
TEM的基本构造包括电子源、透镜系统和探测器。
首先，电
子源产生高能电子束。
然后，电子束通过一系列透镜系统，包括电子透镜和物镜透镜，来聚焦电子束并使其通过样本。
透过样本后，电子束进入投射透镜，再通过聚焦透镜，最后进入探测器。
在通过样本的过程中，一部分电子束会被样本中的原子核、电子等相互作用而散射出去，另一部分电子束则会透过样本并与探测器相互作用。
探测器收集到的透射电子信号会转化为电信号，并通过电子学系统进行放大和处理。
最终，这些电信号被转化为图像，并通过显示器或拍摄设备进行观察和记录。
TEM的工作原理基于电子的波粒二象性，在透明薄样品的情
况下，电子束的穿透性可以用来解析样本内部的微观结构。
TEM在分辨率方面具有很高的优势，可以观察到纳米级别的
细小结构和特征。
同时，TEM还可以通过调整电子束的能量，实现不同样本性质的观测，如原子分辨率、晶体结构、元素分析等。
总而言之，TEM的工作原理是通过电子束穿透样本，利用透
射方式形成样本的显微图像。
这种技术在材料科学、生物科学和纳米科技等领域具有重要的应用价值。
材料研究方法13 电子显微镜的成像原理及二次电子像
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作业
1 试论述电子显微镜的成像原理。 2 试论述二次电子像的产生、采集及意义。
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高岭石的手风琴状形貌
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多水高岭石(埃洛石)的管状形貌
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(a) 原图
(b) 锐化
(c)
提取 边界
(d)
计算 粒度 分布
利用二次电子像计算粒度分布举例
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(5) 二次电子像的优点
（1） 分辨率高，最高可达10Å； （2） 放大倍数灵活，几十到100万倍可调； （3） 景深大，所以立体感强； （4） 反差对比度好，图象细节清楚； （5） 可以与成分分布状态结合观察，综合分析。
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A special type of detector acts like a TV camera and the image of the sample is displayed on a TV screen. By changing how the electrons are bent and how the beam of electrons strikes the sample, you can change the magnification and focus of the TV image.
一般地，控制电子束在样品表面的 一个微小区域内，做逐点、逐行扫描 移动。
当电子束在其中每一点时，都采集一次信号信息，最后把逐点、逐行移 动时采集的全部信息，按信号强弱显示在一张图形上，得到完整的对应于 样品表面微小区域的图形，称之为扫描电镜的图像。
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样品中的该区域，大小为24μm ×18μm，电子束的束斑直径 10nm，控制电子束在该区域内逐点移动(1280×960)。
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扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并通过感应信号形成显像的仪器。
其工作原理如下：
1. 电子源发射电子束：SEM中有一个电子枪，用于产生高能电子。
电子枪中通常会使用热阴极，通过加热或电子轰击方式将电子从阴极中释放出来。
2. 高能电子束聚焦：释放出来的电子会受到聚焦系统的控制，将电子束聚焦成一个非常细小的束斑。
聚焦系统通常包括透镜或电磁镜等。
3. 电子束扫描：经过聚焦的电子束被定向扫描到样品表面。
样品通常需要先制备成非导电表面或镀上导电层，以便电子束能够顺利地与样品相互作用。
4. 电子-样品相互作用：电子束与样品表面相互作用会产生多种效应，如散射、反射、透射等。
其中最常用的效应是二次电子发射（secondary electron emission）和后向散射电子（backscattered electron）的产生。
5. 信号收集：通过安装在SEM中的多种探测器，可以收集和测量与电子-样品相互作用相关的信号。
常用的探测器包括：二次电子探测器、后向散射电子探测器、X射线能谱仪等。
6. 信号转换和处理：收集到的信号会经过放大、滤波、数字化
等处理，并转化成图像或谱图。
7. 图像显示：最后，处理好的信号通过计算机和显示器进行图像重建和显示，使得研究人员可以观察到样品表面的微观结构和形貌。
扫描电子显微镜通过以上步骤实现样品表面的高分辨率成像，并能提供有关样品表面化学元素的分布信息。
它在材料科学、生物学、纳米学等领域发挥着重要作用。
电子显微镜的原理
电子显微镜的原理电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察物质微观结构的高分辨率显微镜。
它的原理是利用电子的波粒二象性，将电子束聚焦到极小的尺寸，通过与物质相互作用产生的散射、透射等现象来获取样品的显微图像。
相比光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率和放大倍数，可以观察到更小尺度的物质结构。
首先，电子显微镜的基本原理是利用电子的波动性。
电子具有波粒二象性，当电子穿过物质时，会产生散射现象，这种散射现象包括弹性散射和不弹性散射。
通过观察这些散射现象，可以获取有关样品内部结构的信息。
其次，电子显微镜利用电子的波动性来实现高分辨率成像。
电子波的波长远小于可见光波长，因此电子显微镜具有比光学显微镜更高的分辨率。
在电子显微镜中，通过使用透射电子束，可以观察到物质的原子尺度结构，这是光学显微镜无法做到的。
另外，电子显微镜的成像原理是利用透射电子束与样品相互作用产生的信号。
当电子束穿过样品时，部分电子被样品原子散射，部分电子穿过样品并被收集到后面的探测器上。
通过测量这些透射电子的位置和能量，可以获得样品的显微图像。
此外，电子显微镜还可以通过控制电子束的聚焦和偏转来实现对样品的成像。
通过调节电子透镜的参数，可以使电子束聚焦到极小的尺寸，从而获得更高的分辨率。
同时，通过控制电子束的偏转，可以对样品进行扫描成像，获取样品的全景图像。
最后，电子显微镜的原理还包括对透射电子的探测和信号处理。
在电子显微镜中，透射电子被探测器捕获后，会产生电子图像信号。
这些信号经过放大、增强和数字化处理后，可以呈现在显示屏上，供用户观察和分析。
总的来说，电子显微镜的原理是利用电子的波动性和与物质相互作用产生的散射、透射现象来获取样品的显微图像。
通过对电子束的控制和信号处理，可以实现对样品的高分辨率成像。
电子显微镜在材料科学、生物学、纳米技术等领域具有重要应用，为人们深入了解物质微观结构提供了强大的工具。
电子显微镜工作原理
电子显微镜工作原理电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种先进的显微镜技术，使用高能电子束来替代光束，能够提供比光学显微镜更高的分辨率和放大倍数。
在本文中，将详细介绍电子显微镜的工作原理。
一、电子束的发射和聚焦电子显微镜的工作起始于电子束的产生。
通常，电子源是通过热发射来获得的，即通过加热一个金属丝（如钨丝）来使其电子从表面发射。
这些发射的电子经过聚焦系统，包括电子透镜和磁铁，来形成一个聚焦的电子束。
聚焦系统的作用是将电子束聚集到极小的尺寸，并确保其直线传播，以提供高分辨率的成像能力。
二、样品的准备和扫描在电子显微镜中，样品通常需要进行一系列的准备工作。
首先，样品需要被切割成非常薄的片，以确保电子束可以穿透样品。
然后，样品通常被涂覆上一层金属薄膜，以增加电子的反射和散射效果，从而提高成像质量。
一旦样品准备就绪，电子束将被聚焦在样品表面上。
电子束在扫描时，通过扫描线圈产生的磁场来控制其运动。
扫描电子显微镜通过逐点地扫描样品表面并收集电子的散射和反射信号来形成图像。
三、电子显微镜中的检测和成像在传统光学显微镜中，通过收集光的反射或透射信号来形成图像。
而在电子显微镜中，电子的散射和反射信号将被收集和检测。
主要有两种类型的电子检测器被广泛使用。
第一种是所谓的透射电子检测器（Transmission Electron Detector），它位于样品背面，用于检测由样品通过的电子。
该检测器可以提供高分辨率的透射电子图像。
第二种是所谓的散射电子检测器（Scanning Electron Detector），它位于样品上方，用于检测由样品表面散射的电子。
该检测器可以提供高解析度的表面图像。
根据所需的成像模式，透射电子显微镜和扫描电子显微镜可以产生不同类型的图像。
透射电子显微镜可以提供高分辨率的细节图像，适用于研究材料的内部结构。
而扫描电子显微镜则可以提供高放大倍数的表面图像，适用于观察材料的表面特征。
电子显微镜原理
电子显微镜原理电子显微镜（Electron Microscope）是一种用电子束来观察样品的显微镜。
相比光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率和放大倍数，能够观察更小、更细微的结构。
一、基本原理电子显微镜的基本原理是利用电子的波粒二象性。
与可见光不同，电子具有波长较短的特点，因此电子显微镜可以观察到更小的细节。
电子显微镜主要由电子枪、电磁透镜系统、样品台和检测器组成。
首先，电子枪通过加热阴极产生高速电子。
然后，这些电子被加速电场加速，形成电子束，通过电磁透镜系统聚焦到样品上。
样品与电子束相互作用后，产生一系列的相干和不相干散射电子。
最后，这些散射电子被检测器收集，转化为图像。
二、扫描电子显微镜（SEM）原理扫描电子显微镜是电子显微镜的一种类型，它通过扫描电子束并检测反射电子来生成高分辨率的表面形貌图像。
在扫描电子显微镜中，电子束被聚焦到非常细小的尺寸，并沿预定的方式在样品表面扫描。
当电子束照射到样品表面时，样品会产生一系列的反射电子。
这些反射电子被检测器捕捉，经过信号处理后形成图像。
三、透射电子显微镜（TEM）原理透射电子显微镜是另一种常见的电子显微镜类型，它通过透射电子来观察样品的内部结构。
在透射电子显微镜中，电子束经过极细的样品切片后射向检测器。
透射过程中，电子束会被样品内部的原子和晶格结构散射，形成干涉和衍射效应。
通过收集和处理经过样品透射的电子，最终形成高分辨率的内部结构图像。
四、电子显微镜的应用电子显微镜在科学研究、医学诊断、材料分析等领域有广泛的应用。
在材料科学中，电子显微镜可以观察材料的晶体结构、表面形貌和化学成分，帮助科学家研究材料性质和改进材料性能。
在生物学中，电子显微镜可以观察细胞和病毒的内部结构，揭示生物体的微观细节，对疾病的诊断和治疗提供重要依据。
在纳米科技领域，电子显微镜可以帮助科学家观察纳米材料的形貌和性质，探索纳米尺度下的奇特现象和新领域。
总结起来，电子显微镜利用电子的波粒二象性，通过聚焦、扫描和检测等技术，实现对样品的高分辨率观测。
扫描电子显微镜的原理及应用
扫描电子显微镜的原理及应用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种使用电子束而不是光束的显微镜，它通过对被测样品表面进行扫描和检测，以获取高分辨率的图像。
SEM具有优秀的分辨率和放大倍数，被广泛应用于材料科学、生命科学、纳米技术、地质学等领域。
SEM的工作原理如下：1. 产生电子束：通过电子枪产生高能电子束，电子枪包括一个热阴极和一根聚焦的阳极。
电子束可以通过区域限制器（aperture）来控制束流的大小。
2.加速电子束：电子束通过电子镜来加速，这是一个由透镜组成的系统。
电子束在电子镜中得到聚焦，束流变窄，成为高能、高分辨率的束流。
3.扫描样品：样品被放置在SEM的样品台上，电子束通过磁场的作用进行X、Y方向扫描。
扫描电子镜的样品台通常也可以进行上下方向的运动，以获得不同深度的图像。
4.接收和检测：当电子束照射在样品表面上时，样品中发生的相互作用将会发射出各种信号，包括二次电子、透射电子、X射线以及退火融合过程产生的光谱信号等。
SEM通过收集并检测这些信号，并将其转化为电信号。
5.构建显像：电信号被转化为亮度信号，并用于构建图像。
SEM可以生成大量的图像类型，包括二次电子图像（SE图像）、透射电子图像（BSE图像）、X射线能谱图（EDS图像）等。
6.分析和测量：SEM可以提供非常详细的样品表面形貌信息，包括形貌、尺寸、形状、纹理等。
还可以使用EDS技术分析样品的化学元素组成。
SEM的应用范围十分广泛：1.材料科学：SEM可以研究材料的微观结构、相变过程、表面形貌以及晶格结构等。
它可以用于分析金属、陶瓷、纤维、塑料等材料的微观结构，从而改进材料的性能和开发新材料。
2.生命科学：SEM非常适合观察生物样品的微观结构，如昆虫、细胞、细菌等。
它可以研究生物样品的组织结构、表面形貌，以及细胞壁、细胞器等微观结构。
3.纳米技术：SEM可以观察和测量纳米级别的颗粒、膜、纳米线、纳米管等纳米材料。
电子显微镜原理
电子显微镜原理电子显微镜是一种利用电子束来观察物体的显微镜。
相较于光学显微镜，电子显微镜具有更高的放大倍数和更好的分辨率，可以观察到更小的物体细节。
本文将介绍电子显微镜的原理及其工作过程。
1. 电子显微镜的原理电子显微镜的原理基于电子的波粒二象性和其相对论性质。
根据德布罗意波动理论，物质粒子（包括电子）也具有波动性。
因此，电子束也可以像光波一样通过物质的干涉和衍射现象，从而实现对物体的观察。
2. 电子源电子显微镜的核心是电子源，它产生被加速并聚焦成束的电子。
常用的电子源包括热阴极电子源和场发射电子源。
热阴极电子源利用热释电子发射的原理。
通过加热钨丝或其他适当的材料，可以使材料上的电子越过离子势垒，从而形成电子束。
热阴极电子源可以提供高电子流密度，但需要较长的预热时间。
场发射电子源则利用电场加速电子直接从钨尖或碳纳米管等尖端发射出来。
场发射电子源具有更高的亮度和更短的预热时间。
3. 加速与聚焦系统电子显微镜中的加速与聚焦系统用于将电子束加速并将其聚焦到一个细小的区域。
加速电压的提高可以增加电子的动能，从而提高电子的穿透能力和分辨率。
聚焦系统主要由一组电磁透镜组成。
这些透镜通过调节磁场的分布，使得通过电场对电子束进行聚焦。
聚焦系统的调节可以改变电子束的聚焦深度和直径。
4. 样品台样品台用于容纳待观察的样品，并提供稳定的环境以保持样品的形态和性质。
样品台通常具有微调仪器，以便能够在显微镜下精确定位样品。
在电子显微镜中，样品通常需要进行特殊的处理，如金属涂层、冷冻或化学固定。
这些处理有助于提高样品的导电性和稳定性。
5. 探测器探测器用于接收从样品反射、散射或透射回来的电子束，并将其转化为图像。
最常用的探测器是荧光屏或光电倍增管。
当电子束击中探测器时，会产生光子或电子，并在探测器上形成亮点，从而形成显微镜图像。
除了荧光屏和光电倍增管，还有一些先进的探测器技术，如电荷耦合器件（CCD）和扫描探测器阵列（SEM）。
电子显微镜的原理
电子显微镜的原理
电子显微镜是一种利用电子束来成像的高分辨率显微镜，其原理是利用电子的波粒二象性和电子与物质相互作用的特性来观察微观结构。
相比光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率，可以观察到更小尺度的物体结构。
首先，电子显微镜的原理基于电子的波动性。
根据德布罗意波长公式，电子的波长与其动量呈反比关系，因此具有较高速度的电子具有较短的波长。
相比之下，可见光的波长在几百纳米数量级，而电子的波长可以达到亚埃数量级，因此可以观察到更小尺度的物体结构。
其次，电子显微镜的原理还涉及电子与物质的相互作用。
当高速电子束射向样品时，电子与样品中的原子发生相互作用，产生散射、透射、吸收等现象。
这些相互作用导致电子束的能量发生变化，通过检测这些能量变化，可以获取样品的结构信息。
另外，电子显微镜还利用电磁透镜来聚焦电子束。
电子束通过电磁透镜后，会发生折射和聚焦，从而形成清晰的样品影像。
电子显微镜通常包括物镜、中间透镜和目镜，通过这些透镜的组合，可以实现对样品的高分辨率成像。
此外，电子显微镜的原理还涉及样品的制备和处理。
由于电子束对样品的要求较高，通常需要对样品进行薄片处理，以减小散射和吸收效应，从而获得清晰的影像。
同时，样品的导电性也是电子显微镜观察的重要考量因素，通常需要对非导电性样品进行金属涂层处理。
综上所述，电子显微镜的原理基于电子的波动性、电子与物质的相互作用、电磁透镜的聚焦以及样品的制备处理。
通过这些原理的综合作用，电子显微镜能够实现对微观结构的高分辨率成像，为科学研究和工程技术提供了重要的观察手段。
电子显微镜的工作原理
电子显微镜的工作原理引言电子显微镜（Electron Microscope）是一种利用电子束代替光束进行成像的高分辨率显微镜。
它的出现极大地推动了材料科学、生物学、医学等领域的研究和发展。
本文将重点介绍电子显微镜的工作原理，包括电子束的产生、成像原理以及常见的电子显微镜类型。
一、电子束的产生电子束的产生是电子显微镜工作的基础。
电子显微镜中使用的电子是通过电子枪产生的。
电子枪由阴极和阳极组成。
当阴极受到加热时，会发射出电子。
这些电子经过阳极的加速作用，形成一个高速电子束。
电子束的速度通常可以达到光速的1/10到1/2，因此电子显微镜具有更高的分辨率。
二、电子束的成像原理电子束的成像原理与光学显微镜有所不同。
光学显微镜是利用光的折射和散射现象进行成像的，而电子显微镜则是利用电子的散射和干涉现象进行成像的。
1. 散射现象当电子束穿过样品时，与样品中的原子或分子发生相互作用。
这种相互作用会导致电子的散射。
根据散射的角度和强度，可以得到关于样品内部结构的信息。
电子显微镜通过探测和记录散射电子的位置和能量，来获得样品的显微图像。
2. 干涉现象电子束还可以发生干涉现象。
当电子束通过样品时，它们会与样品内部的晶格相互作用，形成干涉条纹。
这些干涉条纹可以提供关于样品晶格结构的信息。
通过记录这些干涉条纹，可以得到高分辨率的显微图像。
三、电子显微镜的类型根据电子束的性质和成像方式的不同，电子显微镜可以分为传统的透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）。
1. 透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是最早发展起来的电子显微镜类型。
它使用的是透射电子成像原理。
电子束通过样品后，进入到显微镜的投影系统中。
投影系统中包含了透镜和电子探测器。
透镜用于聚焦电子束，使其能够通过样品并成像在投影平面上。
电子显微镜原理
1.扫描电镜的工作成像原理
＆ 电子枪发射电子，在加速电压作用下进行加速。
＆ 经聚光镜汇聚成直径为3-10nm的电子探针。
＆ 电子探针打在样品表面，表面原子外层的电子 被打落形成二次电子。
＆ 二次电子信息被收集后，被转换成带有样品 信息的电压信号，变成可供观察和拍摄的影像。
由于二次电子产生的多少与电子束入射角度 及样品表面的起伏有关，所以在荧光屏上会得到 样品表面形貌的立体图像
结构和功能基本相似。
透射电镜与扫描电镜比较
成像信号 样品 应用 图像特点
TEM
透射电子 超薄切片等 细胞内部 二维平面
SEM
二次电子 可大而厚 表面及断面 三维立体
高压电子显微镜
（High Voltage Electron Microscope HVEM）
• 是一种透射电子显微镜，加速电压在120KV以上
• 加速电压在500KV以上称为超高压电镜 • 分辨本领高，对样品穿透能力强 • 用于观察较厚样品的内部的结构，如微丝、微
管等，所得图像在偏振镜下呈三维排列图像
• 人眼：0.2mm/250mm • 光学显微镜：0.2μm • 电子显微镜：0.1nm
δ= 0.61λ/nsinα
光学显微镜的极限分辨本领约为200nm。 限制分辨本领的关键是所用光源的波长， 要想提高分辨本领，只有采用短波长的光源。
一台电子显微镜除了有最佳分辨本领外，尚 须具有合理的放大倍数。只有这样才能依靠电 镜最佳分辨本领，以人眼区分精细的物体。
入射电子与样品中的原子核相碰撞时，使快速运动 着的电子发生偏斜，忽略能量的损失。
与扫描电镜有关的信息：
• 二次电子
在入射电子的轰击下，样品表面5-50nm 深度激发出 来的电子称为二次电子，利用二次电子信息进行成像。
扫描电子显微镜的工作原理
扫描电子显微镜的工作原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用聚焦的电子束来观察和分析样品表面的工具。
其工作原理包括以下几个步骤：1. 电子源：SEM中使用的电子源通常是热阴极，通过加热产生的热电子会形成电子云。
2. 加速电压：电子源后面通常会设置一个加速电压系统，该系统将电子云加速至非常高的能量（通常在数千至数十万电子伏特之间）。
3. 准直和聚焦：加速后的电子束会通过一系列的电磁透镜（准直透镜和聚焦透镜），使电子束尽可能地准直和聚焦到一个非常小的焦斑上。
4. 扫描线圈：扫描线圈被用来扫描电子束在样品表面上画出一个二维的图像。
这个图像的每个点（像素）都对应着样品表面上的一个小区域。
5. 样品交互：扫描电子束与样品表面中的原子和分子相互作用，其中包括以下几种主要交互方式：- 静电吸引：电子束在样品表面被静电力吸引，使得电子被样品表面吸附，并且在扫描过程中产生二次电子（Secondary Electrons，SE）。
- 弹性散射：电子与样品表面原子核或电子之间发生碰撞，使得电子改变方向，称为弹性散射。
- 非弹性散射：电子与样品表面原子或分子碰撞时，部分能量被转移到样品中，使得样品原子处于激发或离子化状态。
6. 探测信号：SEM中通过多种探测器来记录和检测与样品交互的不同类型信号，包括二次电子、散射电子、放射性同位素、X射线等信号。
这些信号能够提供关于样品表面形貌、化学成分和晶体结构等信息。
7. 图像处理和显示：最后，SEM将接收到的探测信号转化为电信号，并进行信号放大、数字化处理和图像显示，使得用户能够观察和分析样品表面的细微结构。
电子显微镜原理
主要特点
具有高分辨率和高景深，适用于 观察粗糙表面和不规则形状的样
品。
应用领域
表面科学、环境科学、考古学等。
扫描透射电子显微镜（STEM）
01
工作原理
扫描透射电子显微镜结合了透射和扫描的特点，通过聚焦的电子束穿透
样品，并利用探测器收集透过样品的电子束，形成样品的透射图像。
02
主要特点
具有高分辨率和高穿透深度，适用于观察厚样品和难以制备薄片的样品。
样品台
样品台是放置样品的平台，用于在电子显微镜中进行观察和 成像。
样品台通常由金属框架、载物片、微调机构和附件组成，载 物片用于放置样品，微调机构用于调节样品的倾斜角度和位 置。
物镜
物镜是电子显微镜中的主要透镜，用于将汇聚的电子束聚 焦在样品上，形成实像。
物镜通常由透镜、光栏、消像散器和物镜补偿器组成，透 镜用于汇聚电子束，光栏用于限制光束的大小，消像散器 和物镜补偿器用于消除像散和畸变。
素对电子的吸收和散射程度不同，形成明暗不同的影像。
主要特点
02
具有高分辨率和高放大倍数，适用于观察薄样品，如生物样品、
薄膜材料等。
应用领域
03
生物学、医学、材料科学等。
扫描电子显微镜（SEM）
工作原理
扫描电子显微镜通过聚焦电子束 扫描样品表面，激发样品表面的 电子并收集这些电子，形成样品
的表面形貌图像。
特点
高分辨率、高放大倍数、高对比 度、高穿透力和高样品适应性。
电子显微镜的历史与发展
01
02
03
04
1925年，德国物理学家Max Knoll和Ernst Ruska发明了第
一台电子显微镜。
1931年，第一台商用电子显 微镜问世。
扫描电子显微镜的工作原理
扫描电子显微镜的工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来观察样品表面形貌和成分的仪器。
它采用电子束代替传统显微镜中的光线，利用电子和样品之间的相互作用产生的信号来形成显微图像。
扫描电子显微镜的工作原理可简要描述如下：
1. 电子源：SEM使用热阴极电子源或场发射电子源产生高能散射电子束。
这些电子通过加速装置加速，形成高速电子束。
2. 减束系统：电子束通过减束系统聚焦，使其在样品表面形成细小的束斑。
3. 样品：待观察的样品通常需要经过预处理，如金薄层涂覆或真空处理。
当电子束照射到样品表面时，样品会与电子相互作用。
4. 信号检测：与样品表面相互作用的电子将产生多种信号，包括二次电子、反射电子、透射电子等。
这些信号将被探测器捕捉并转换为电信号。
5. 图像生成：转换后的电信号被发射到显示屏或计算机上，并由图像生成系统处理，形成二维或三维的显微图像。
扫描电子显微镜具有较大的深度和表面对比度，可以观察到非常小的细节，甚至可以达到纳米级别的分辨率。
由于其工作原
理的特殊性，SEM常被应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域，为科学研究和技术发展提供了强有力的工具。
电子显微镜的工作原理
电子显微镜的工作原理电子显微镜是一种利用电子束来替代光线的显微镜，其工作原理是通过电子束与样品相互作用，利用电子的波粒二象性来观察样品的微观结构。
电子显微镜可以对样品进行高分辨率成像，能够观察到比光学显微镜更小的细节，因此在生物学、材料科学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
首先，电子显微镜的工作原理与光学显微镜有着本质的区别。
光学显微镜利用可见光的折射和散射原理来观察样品，而电子显微镜则利用电子的波粒二象性。
电子具有波长很短的特点，因此可以获得比光学显微镜更高的分辨率。
此外，电子束的穿透能力也比光线强得多，可以观察到更深层次的结构。
其次，电子显微镜的工作原理包括发射电子源、透镜系统、样品台和检测器。
发射电子源产生电子束，透镜系统用于聚焦和控制电子束，样品台用于支撑和调整样品位置，检测器用于接收和转换电子束与样品相互作用后的信号。
在电子显微镜中，电子束通过透镜系统聚焦到样品表面，与样品发生相互作用后产生的信号被检测器接收并转换成图像。
另外，电子显微镜的工作原理还涉及到样品的制备和处理。
由于电子束与样品的相互作用需要在真空条件下进行，因此样品需要经过特殊的制备和处理。
在观察生物样品时，通常需要对样品进行冷冻或化学固定处理，以保持样品的原始形态和结构。
在观察材料样品时，通常需要对样品进行金属涂覆或切割处理，以增强样品的导电性和减少表面充电效应。
最后，电子显微镜的工作原理决定了它在科学研究和工程应用中的重要性。
电子显微镜能够观察到微观结构的细节，可以帮助科学家和工程师深入了解材料的性质和行为，为新材料的设计和开发提供重要信息。
同时，电子显微镜也在生物学领域有着重要的应用，可以观察到细胞和组织的微观结构，为疾病诊断和药物研发提供支持。
总之，电子显微镜的工作原理是基于电子的波粒二象性，利用电子束与样品相互作用来观察样品的微观结构。
电子显微镜在科学研究和工程应用中有着广泛的应用前景，对于深入了解材料和生物的微观结构具有重要意义。
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扫描电镜照片演示
扫 描 电 镜 照 片 演 示
人耳听毛细胞的扫描电镜照片
扫 描 电 镜 照 片 演 示
人RBC的扫描电镜照片
有被小泡的扫描电镜照片
转 化 细 胞
扫 描 电 镜 照 片 演 示
细胞褶皱的扫描电镜照片
分裂沟的扫描电镜照片
冰冻蚀刻电镜照片演示
冰 冻 蚀 刻 电 镜 照 片 演 示
演 示 实 验
电子显微镜的原理与演示
一、电子显微镜出现的必然性 一、电子显微镜出现的必然性 1. 分辨力
分辨力(resolution)：指显微镜能将近邻的两个质 分辨力 点分辨清楚的能力, 通常是用相邻两点间 的距离(D)来表示。
光源的波长
0.612 λ D= N.A.
镜口率(N.A.)
波长：
可见光波长为400~700nm (平均550nm)
透射电镜照片演示
微管蛋白的免疫荧光照片
透 射 电 镜 照 片 演 示
图像各处浓淡的不同真实反映了样品中不同部位的物质结构
一个植物细胞的透射电镜照片
透 射 电 镜 照 片 演 示
糙面内质网的透射电镜照片
透 射 电 镜 照 片 演 示
多核糖体的透射电镜照片
透 射 电 镜 照 片 演 示
玉米分散高尔基体的透射电镜照片
镜口率(N.A.)的大小：
取决于镜口角和物镜与标本间介质的折射率
N . A. = n ⋅ sin
α
2
镜口角
物镜与标本之间介质的折射率
空气的折射率为1 水为1.33 香柏油为1.515 α-溴萘为1.66 α
光镜分辨力的最小数值：≤0.2 μm 紫外光显微镜：0.1 μm 光学分辨率的极限！
一般光镜设计的最大放大倍数为1,000~1,500×
透 射 电 镜 照 片 演 示
叶绿体的 透射电镜 照片
线粒体的透射电镜照片
透 射 电 镜 照 片 演 示
细胞核的透射电镜照片
有丝分裂器的透射电镜照片 正 在 杀 肿 瘤 细 胞 的 T 细 胞
凋 亡 细 胞
透 射 电 镜 照 片 演 示
笼形蛋白
热休克蛋白Hsp60
α-辅肌动蛋白
透 射 电 镜 照 片 演 示
细胞质膜的冰冻蚀刻电镜照片
冰 冻 蚀 刻 电 镜 照 片 演 示
紧密连结的冰冻蚀刻电镜照片 微绒毛的冰冻蚀刻电镜照片
核膜
连结子
基膜
波长(nm) 760~390 390~13 13~0.05 1~0.005 0.123 0.0122 0.00387
1 λ∝ √V
2. 电镜与光镜的对比
电子显微镜与光学显微镜的异同点
光学显微镜 照射光 波长(nm) 介 透 质 镜 光 束 长：200~750 空 气 光学透镜 机械聚焦 0.2~0.1μm 1,000 电子显微镜 电子束 短：0.003~0.008 真 空 电磁透镜 电聚焦 0.1nm 1,000,000
光源 (卤灯或汞灯) 玻璃透镜 (聚光镜) 样品 玻璃透镜 (物镜)
高压电子枪
束偏转器 电磁 透镜 样品 图像投到 视屏上
玻璃透镜 投影镜 (目镜) 肉眼 荧光屏
光 镜
透射电镜
扫描电镜
光镜、透射电镜及扫描电镜的成像光路图解
四、扫描电镜的结构与成像原理
1. 扫描电镜的基本结构
电子枪 电磁透镜 扫描线圈 扫描电镜 样品室 信号的收集处理及显示系统 真空系统 供电保护系统等 电子光学系统
真空系统的组成部件：
机械泵： 1 Pa →1.3×10-5~10-6Pa; 油扩散泵：1.3×10-6Pa → 1.3×10-7 ~10-9Pa 冷阱： 1.3×10-9Pa → 1.3×10-10Pa 真空管道、阀门、储气罐等 离子泵 → 1.3×10-12Pa 真空涡流泵
真空系统
一般电镜
超高压电镜
☺有效放大：
指本来用肉眼看不清楚的物体经显微镜 放大成像后可以分辨清楚的放大
无效放大：
指本来用肉眼能看清楚的物体经放大 镜、幻灯机或投影仪等放大成像后可以 分辨得更清楚的放大。
各种光与电子束的波长比较
名 称 可见光 紫外光 X-射线 γ-射线 电子束 100V 10,000V 100,000V
电子束的波长与发射电子 电子束的波长与发射电子 束的电压Biblioteka 方根成反比： 束的电压平方根成反比：
电子枪 (1~10KV) 电磁透镜 真空系统
显示系统(显象管)
信号的收集处理系统 扫描线圈 供电 保护 系统 样品室
电子枪灯丝 电磁 透镜 扫描线圈的 束偏转器 显象管 电磁 透镜
电子光学系统
样品 样品托
探测器 扫描电镜的结构简图
2. 扫描电镜的成像原理
电子枪 电子束 扫描线圈 电磁透镜 样品表面 次级电子信号 探测器
2、透射电镜的成像原理
高速电子束
透射样品
获得高分辨率的图像：数百万倍
使用电子枪发射出了波长极短的电子波 利用电磁透镜可对电子束进行聚焦、放大和成像
成像原理：
高压电子枪 高速电子束 电磁透镜 样品 电子束发生投射 荧光屏
电能转变成光能
浓淡不同的图像
图像各处浓淡的不同真实反映 了样品不同部位的物质结构
接 受、 转变成光子 放 大、 转换成电压信号
荧光点的亮度
样品表面上相应点 所发出的次级电子数
光电倍增管
显象管/荧光屏
电子枪灯丝 电磁 透镜 扫描线圈的 束偏转器 显象管 电磁 透镜 次级电子 样品 样品托 探测器
扫描电镜成像原理的简单图示
扫描电镜在结构和工作原理上的特点：
(1) 扫描电镜所用样品的制备方法简便(固定、干燥和喷 金)，不需经过超薄切片； (2) 扫描电镜采用的是次级电子成像； (3) 扫描电镜所观察到图像景深长，图像富有立体感； (4) 图像的放大倍率在很大范围内连续可变(101~105×)； (5) 样品的辐射损伤及污染程度小等。
供 电 及 保 护 系 统
供电及保护系统的组成部件及其作用：
一般电镜均拥有两个电源：
高电压低电流的高压电源：产生高速电子 低电压高电流的透镜电源：控制高速电子束的运动轨迹 稳压和稳流装置：保证电压和电流的高度稳定
一旦电镜的某一部分发生故障, 电镜的保护系统 保护与控制系统： 会让其自动紧急关机和断电, 以免损伤电镜！
缩小
放大
电子枪
成 象 系 统
成象系统的组成部件及其作用：
吸附样品室中的少量空气分子 以提高真空度 降低温度可防止电子的热漂移
℡样品室 样品放置室 冷阱 金属导杆 ℡样品室
物镜
放大50倍 放大3倍 放大15倍 放大200倍
液氮罐
铜网 样品
℡成像与放大装置 ℡成像与放大装置
中间镜I 中间镜II 投影镜
扫描电镜的局限性：
(1) 分辨率还不够高(1~10nm)； (2) 只能显示样品的表面形貌，无法显示内部详细结构。
冰冻蚀刻技术(freeze etching)： 冰冻蚀刻技术(freeze etching)：
利用“复膜(replica)”在透射电镜下观察： 可观察到样品的内部结构； 可观察到富有立体感的图像； 提高了分辨率。
金的原子布阵的透射电镜照片
透 射 电 镜 照 片 演 示
图像各处浓淡的不同与样品中不同部位的物质结构相反
T4噬菌体负染色的透射电镜照片 T4噬菌体负染色的透射电镜照片
螺原体
驱动蛋白
胞质动力蛋白
纤毛动力蛋白
核纤层蛋白
在透射电镜中，被观察粒子的 大小一定要大于电子束的波长才能 被分辨出来；否则，电子束就会发 生绕射，无法看到粒子 ！
聚焦方式 分辨力 放大倍数
电子显微镜与光学显微镜结构的对比图解
二、电镜的分类 二、电镜的分类
根据电子束和样品之间作用方式的不同，可将 电镜分为4大类: 1) 物体透射电子 透射电镜 观察和分析样品的内部结构 2) 物体发射电子 扫描电镜 观察和分析样品的表面立体形貌 3) 物体反射电子 4) 物体吸收电子
电 子 照 明 系 统
电子照明系统的组成部件及其作用：
℡电子枪：产生高压电子束 ℡两级聚光镜：会聚高压电子束，以得到极细而均匀的电子束流
第一聚光镜：将电子束的直径缩小20~60倍 第二聚光镜：将电子束的直径扩大1~2倍
高压(V)
第一聚光镜 第一聚光镜 第二聚光镜 第二聚光镜
高压 电子束 灯丝 栅板 阳极
500,000倍
观 察 记 录 系 统
观察记录系统的组成部件及其作用：
透过样品的电子打到荧 光屏上可显示出反映样 品真实结构的图像 保护眼睛
观察室
荧光屏 铅玻璃窗
放大镜 用于放大投到荧光屏上的图像 照相装置 电子形成的荧光图像衰减速度很快，一旦
观察到理想的结构图像就需要尽快照相
注意：电镜照相与普通照相不同，图像的反衬度最低时 才是正聚焦；且底片还必须要经过预干燥处理
三、透射式电子显微镜 三、透射式电子显微镜 1、透射电镜的结构
真空系统 供电及保护系统 电子照明系统 成象系统 观察记录系统
电子照明系统
透镜系统或 电子光学系统
成象系统
供电及 保护系统
观察记录系统 透射电镜的结构
真空系统
真 空 系 统
抽真空的意义：
防止灯丝的氧化损伤； 确保电子束在运行过程中的运动轨迹不受空气分子干扰； 去除空气分子对样品的污染。