电子光学基础
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
m＝m0/[1-(v/c)2]1/2
v为电子运动的速度，c为光速。
波长与电压的计算公式应校正为： ＝12.25/[U(1+0.9788×10-6U)]1/2
不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）
加速电压/KV
1 2 3 4 5 10 20 30
电子波波长/Å
0.388 0.274 0.224 0.194 0.173 0.122 0.0859 0.0698
§1.3 电子光学基础
1、分辨率
简单地说，分辨率就是能够把两个点分辨开的最小 距离。
人眼睛的分辨率大约为0.1个毫米。 所以，要想看清比0.1个毫米还小的东西，就要借
助于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的 物体至少放大到0.1个毫米以上，才能看清它。
根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：
这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，波长 越短，分辨率越大。只有比光线波长一半还大的物体 才会产生反射光而被放大看到。所以，用最好的光学 显微镜，其分辨率也只能是可见光波长的一半。
不同波长光源分辨本领的比较
可见光的波长范围为390 – 760nm (1nm=10Å)， 因此光学显微镜的分辨率的极限是200nm。
电子的速度v和加速电压U之间:
eU ＝1/2 mv2 e－电子所带的电荷。
即
v ＝（2eU/m）1/2
由此得
＝ h/(2emU)1/2
代入h=6.62×10-34J.S, m=9.11×10-31kg， e=1.60×10-19c
＝12.25/U1/2
U的单位用伏特，的单位为Å 。
前面计算的过程中，电子的质量采用 的是静止时的质量，但根据相对论理论， 在高速运动的情况下，其质量有变化：
➢ 50年代，英、法、荷、日、美、苏等国透 射电子显微镜已批量生产。
➢ 50年代中期，英国剑桥大学凯文第什实验 室的Hirsch和Howie等人为代表，建立了一 套直接观察薄晶体的缺陷和结构的实验技 术及电子衍射衬度理论。由此，晶体缺陷 理论得到了证实。
➢ 60年代，透射电子显微镜分辨率达到了5Å 左右。
➢ 70年代末至80年代，随着电子显微仪器分 辨率的提高，电子显微学科诞生了，它可以 了解从结构的信息到原子点阵的排列。
➢1935年，德国学者Knoll首次提出扫描电子 显微镜的结构及原理。
➢1938年，德国Von.Ardenne提出在透射电镜 的两个静电透镜之间加一扫描线圈，相当于 一台扫描透射电子显微镜，分辨率约为5001000Å。
➢1942：剑桥大学的马伦首次制成世界第一台 扫描电镜。
➢1965年，英国剑桥仪器公司生产出了第一台 商品扫描电子显微镜，分辨率可达250Å.
我国第一台电子显微镜的研制是在1958年，由中 国科学院长春光机所制造，比国外晚了20多年，但 发展迅速。
1975年开始，我国自行设计制造扫描电子显微镜。 80年代初，中国科学院科学仪器厂制造的DX-5型扫 描电子显微镜，其分辨率为60Å，放大倍数10万倍。 1985年，该厂生产的KYKY-AMRAY1000B型扫面电子显 微镜分辨率为60Å，放大倍数25万倍。其它厂家也都 已批量生产。
不管如何完善光学显微镜的透镜和结构， 其放大倍数和分辨率总是被限定在1000 多倍和几百纳米的水平，不可能再有新 的突破。
可见光的波长在390纳米到760纳米之 间，所以光学显微镜的理论极限分辨本 领也就在200纳米左右 。
Leabharlann Baidu
§1.2电子显微镜的诞生过程
➢1924年，法国学者德布罗意（De.Brgliel） 指出，任何一种接近光速的运动粒子都具有 波动性，电子既有波动性又有粒子性。
§1.1 电子显微镜概述
电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子 流对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大 后在荧光屏上成像的大型仪器。
comparison 光学显微镜则是利用可见光照明，将
微小物体形成放大影像的光学仪器。
电子显微镜由电子流代替可见光，由 磁场代替透镜，让电子的运动代替光子。
“数码显微镜” : 光学显微镜
r0：两物点的间距； λ：光线的波长； n：透镜周围介质的折射率； α：孔径角，即物点发出能进入透镜成像的光线锥
的锥顶角的半角； nsinα称为数值孔径；
当波长λ一定时， 分辨率取决于数值孔径的大小。数 值孔径越大则能分辨的结构越细，即分辨率越高。
将玻璃透镜的一般参数代入上式， 即最大孔径半角α=70-75，在介质为 油的情况下，n＝1.5,其数值孔径n sinα＝1.25-1.35，上式可化简为：
History of Microscope
大约在400年 前（1590年）， 由荷兰科学家杨 森和后来的博物 学家列文虎克发 明和完善的显微 镜，向人们揭示 了一个陌生的微 观世界，他们是 开辟人类显微分 析的始祖。
列文虎克
19世纪
现在，最好的光学显微镜可以达到 2000倍的放大倍数。
现代的光学显微镜
紫外线（<400nm）作光源，分辨率可提高一倍。 现代紫外光显微镜的分辨率可达到100nm。
要制造更高分辨率的显微镜，必须采用波长更 短的波作为成像媒介。
如何得到短波长？
2、 电子波的波长
已知电子束具有波动性，对于运动速度为v， 质量为m的电子波的波长为：
=h/mv
h－普朗克常数；m－电子的质量；V－电子的速度。
➢1926-1927年，人们从晶体对电子产生的衍射现象， 验证了电子的波动性，并具有比X光还要短的波长。 从实验中证明，电子的波长随着加速电压而改变， 加速电压为100KV时，其波长仅为0.037Å ，大约比 可见光波长短10万倍。
➢ 1926年，德过物理学家布施（Busch)指出具 有轴对称性的磁场对电子束来说，起着透镜 的作用，这为制造电子显微镜提供了理论依 据。
➢ 1932年，世界上第一台透射电子显微镜在德 国柏林产生，由柏林工科大学Knoll和Ruska 研制的。放大倍数仅为12-17倍，分辨率很 低。
➢ 1934年，他们把透射电子显微镜的分辨率提 高到500Å。
➢ 1938年，Ruska和其同事在德国西门子公司 研制分辨率为100Å的透射电子显微镜， 1939年作为商品提供给用户。
v为电子运动的速度，c为光速。
波长与电压的计算公式应校正为： ＝12.25/[U(1+0.9788×10-6U)]1/2
不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）
加速电压/KV
1 2 3 4 5 10 20 30
电子波波长/Å
0.388 0.274 0.224 0.194 0.173 0.122 0.0859 0.0698
§1.3 电子光学基础
1、分辨率
简单地说，分辨率就是能够把两个点分辨开的最小 距离。
人眼睛的分辨率大约为0.1个毫米。 所以，要想看清比0.1个毫米还小的东西，就要借
助于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的 物体至少放大到0.1个毫米以上，才能看清它。
根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：
这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，波长 越短，分辨率越大。只有比光线波长一半还大的物体 才会产生反射光而被放大看到。所以，用最好的光学 显微镜，其分辨率也只能是可见光波长的一半。
不同波长光源分辨本领的比较
可见光的波长范围为390 – 760nm (1nm=10Å)， 因此光学显微镜的分辨率的极限是200nm。
电子的速度v和加速电压U之间:
eU ＝1/2 mv2 e－电子所带的电荷。
即
v ＝（2eU/m）1/2
由此得
＝ h/(2emU)1/2
代入h=6.62×10-34J.S, m=9.11×10-31kg， e=1.60×10-19c
＝12.25/U1/2
U的单位用伏特，的单位为Å 。
前面计算的过程中，电子的质量采用 的是静止时的质量，但根据相对论理论， 在高速运动的情况下，其质量有变化：
➢ 50年代，英、法、荷、日、美、苏等国透 射电子显微镜已批量生产。
➢ 50年代中期，英国剑桥大学凯文第什实验 室的Hirsch和Howie等人为代表，建立了一 套直接观察薄晶体的缺陷和结构的实验技 术及电子衍射衬度理论。由此，晶体缺陷 理论得到了证实。
➢ 60年代，透射电子显微镜分辨率达到了5Å 左右。
➢ 70年代末至80年代，随着电子显微仪器分 辨率的提高，电子显微学科诞生了，它可以 了解从结构的信息到原子点阵的排列。
➢1935年，德国学者Knoll首次提出扫描电子 显微镜的结构及原理。
➢1938年，德国Von.Ardenne提出在透射电镜 的两个静电透镜之间加一扫描线圈，相当于 一台扫描透射电子显微镜，分辨率约为5001000Å。
➢1942：剑桥大学的马伦首次制成世界第一台 扫描电镜。
➢1965年，英国剑桥仪器公司生产出了第一台 商品扫描电子显微镜，分辨率可达250Å.
我国第一台电子显微镜的研制是在1958年，由中 国科学院长春光机所制造，比国外晚了20多年，但 发展迅速。
1975年开始，我国自行设计制造扫描电子显微镜。 80年代初，中国科学院科学仪器厂制造的DX-5型扫 描电子显微镜，其分辨率为60Å，放大倍数10万倍。 1985年，该厂生产的KYKY-AMRAY1000B型扫面电子显 微镜分辨率为60Å，放大倍数25万倍。其它厂家也都 已批量生产。
不管如何完善光学显微镜的透镜和结构， 其放大倍数和分辨率总是被限定在1000 多倍和几百纳米的水平，不可能再有新 的突破。
可见光的波长在390纳米到760纳米之 间，所以光学显微镜的理论极限分辨本 领也就在200纳米左右 。
Leabharlann Baidu
§1.2电子显微镜的诞生过程
➢1924年，法国学者德布罗意（De.Brgliel） 指出，任何一种接近光速的运动粒子都具有 波动性，电子既有波动性又有粒子性。
§1.1 电子显微镜概述
电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子 流对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大 后在荧光屏上成像的大型仪器。
comparison 光学显微镜则是利用可见光照明，将
微小物体形成放大影像的光学仪器。
电子显微镜由电子流代替可见光，由 磁场代替透镜，让电子的运动代替光子。
“数码显微镜” : 光学显微镜
r0：两物点的间距； λ：光线的波长； n：透镜周围介质的折射率； α：孔径角，即物点发出能进入透镜成像的光线锥
的锥顶角的半角； nsinα称为数值孔径；
当波长λ一定时， 分辨率取决于数值孔径的大小。数 值孔径越大则能分辨的结构越细，即分辨率越高。
将玻璃透镜的一般参数代入上式， 即最大孔径半角α=70-75，在介质为 油的情况下，n＝1.5,其数值孔径n sinα＝1.25-1.35，上式可化简为：
History of Microscope
大约在400年 前（1590年）， 由荷兰科学家杨 森和后来的博物 学家列文虎克发 明和完善的显微 镜，向人们揭示 了一个陌生的微 观世界，他们是 开辟人类显微分 析的始祖。
列文虎克
19世纪
现在，最好的光学显微镜可以达到 2000倍的放大倍数。
现代的光学显微镜
紫外线（<400nm）作光源，分辨率可提高一倍。 现代紫外光显微镜的分辨率可达到100nm。
要制造更高分辨率的显微镜，必须采用波长更 短的波作为成像媒介。
如何得到短波长？
2、 电子波的波长
已知电子束具有波动性，对于运动速度为v， 质量为m的电子波的波长为：
=h/mv
h－普朗克常数；m－电子的质量；V－电子的速度。
➢1926-1927年，人们从晶体对电子产生的衍射现象， 验证了电子的波动性，并具有比X光还要短的波长。 从实验中证明，电子的波长随着加速电压而改变， 加速电压为100KV时，其波长仅为0.037Å ，大约比 可见光波长短10万倍。
➢ 1926年，德过物理学家布施（Busch)指出具 有轴对称性的磁场对电子束来说，起着透镜 的作用，这为制造电子显微镜提供了理论依 据。
➢ 1932年，世界上第一台透射电子显微镜在德 国柏林产生，由柏林工科大学Knoll和Ruska 研制的。放大倍数仅为12-17倍，分辨率很 低。
➢ 1934年，他们把透射电子显微镜的分辨率提 高到500Å。
➢ 1938年，Ruska和其同事在德国西门子公司 研制分辨率为100Å的透射电子显微镜， 1939年作为商品提供给用户。