材料分析方法PPT课件
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材料分析方法课件第1章电子束与物质的相互作用
各种信号对电镜成像分辨率的影响
二次电子 5—10nm 背散射电子 50—200nm 特征X-射线 100—1000nm 俄歇电子 5—10nm 吸收电子 100—1000nm
滴状作用体积
横向扩展降低信号成像分辨率
横向扩展降低信号成像分辨率
轻元素和重元素滴状作用体积的对比
02
03
04
05
透射电子
背散射电子
原子序数和背散射电子产额之间的关系
当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而释放特征X-射线；
特征X-射线主要用于定性/或定量微区成分分析。
特征X－射线
பைடு நூலகம்
吸收电子
俄歇电子
能级跃迁，使空位层的外层电子发射出去。俄歇电子能量具有特征值。近表面性质。能量很低。入射电子能量能量被吸收殆尽（经多次非弹性散射能量几乎完全损失）；吸收电子信号与二次电子或背散射电子信号互补，强度相反，图象衬度相反。
第一部分
2. 电子光学基础
1. 电子束与物质的相互作用
汇报时间：12月20日
Annual Work Summary Report
#2022
固体样品表面
产生的各种信号
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入射电子束
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1.电子束与物质的相互作用
弹性散射：碰撞后电子只改变方向，基本无能量改变。非弹性散射：电子不但改变方向，能量也发生改变。
1.1 入射电子在试样中的散射
被固体样品中的原子核反弹回来的一部分电子。
01
《材料分析测试技术》课件
在生物学领域，材料分析测试技术用于研 究生物大分子的结构和功能，以及生物材 料的性能和生物相容性。
医学领域
环境科学领域
在医学领域，材料分析测试技术用于药物 研发、医疗器械性能评价以及人体组织与 器官的生理和病理研究。
在环境科学领域，材料分析测试技术用于 环境污染物检测、生态系统中物质循环的 研究以及环保材料的性能评估。
反射光谱测试技术
通过测量材料对不同波长光的反射率，分 析材料的表面特性、光学常数和光学性能 。
发光光谱测试技术
研究材料在受到激发后发射出的光的性质 ，包括荧光、磷光和热辐射等，以了解材 料的发光性能和光谱特性。
透射光谱测试技术
通过测量材料对不同波长光的透射率，分 析材料的透光性能、光谱特性和光学常数 。
磁粉检测技术
总结词
通过磁粉与材料相互作用，检测其表面和近表面缺陷。
详细描述
磁粉检测技术利用磁粉与被检测材料的相互作用，通过观察磁粉的分布和排列，检测材 料表面和近表面的裂纹、折叠等缺陷。该技术广泛应用于钢铁、有色金属等材料的检测
。
涡流检测技术
总结词
通过电磁感应在材料中产生涡流，检测其表 面和近表面缺陷。
《材料分析测试技术》ppt课件
目录
• 材料分析测试技术概述 • 材料物理性能测试技术 • 材料化学性能测试技术 • 材料力学性能测试技术 • 材料无损检测技术 • 材料分析测试技术的应用与展望
01
材料分析测试技术概述
Chapter
定义与目的
定义
材料分析测试技术是指通过一系列实验手段对材料 进行物理、化学、机械等性能检测，以获取材料组 成、结构、性能等方面的信息。
电学性能测试技术
电容率测试技术
材料分析方法绪论课件
拉曼光谱分析
原理
拉曼光谱分析是一种利用拉曼散射效应测量样品对入射光的散射强度和波长，从而得到样品分子结构 和组成信息的方法。
应用
拉曼光谱分析广泛应用于化学、材料科学、生物学等多个领域，可以确定样品中分子的官能团、化学 键等信息。
核磁共振波谱分析
原理
核磁共振波谱分析是一种利用核磁共振 现象测量样品中原子核的磁矩和相互作 用信息的方法。在磁场中，样品中的原 子核发生自旋并产生磁矩，通过测量原 子核的共振频率和裂分形状，可以获得 样品的分子结构和组成信息。
物理和化学领域的研究中 ，材料分析方法可用于研 究物质的性质、反应机理 和制备工艺等。
生物学和医学领域
在生物学和医学领域，材 料分析方法可用于研究生 物分子的结构和功能，以 及药物的制备和筛选等。
工业生产中的应用
制造业
材料分析方法在制造业中有着广 泛的应用，如钢铁、陶瓷、塑料 等材料的生产和加工过程中，需 要使用材料分析方法对材料进行
原子结构分析
原子能级测量
运用光谱学方法测量原子能级，了解原子光谱线和光谱项的归属 。
原子壳层结构分析
根据原子核外电子排布规律，分析原子壳层结构和电子云分布。
原子相互作用与效应
研究原子之间相互作用和效应，包括化学键、离子键、金属键等相 互作用的基础。
04
CATALOGUE
材料性能分析
力学性能分析
比热容
材料吸收或释放热量的能力， 反映了材料对温度变化的响应
。
热导率
材料传导热量的能力，反映了 材料在热量传递过程中的效率 。
热膨胀系数
材料在温度变化下体积变化的 能力，反映了材料对温度变化 的敏感性。
热稳定性
材料在高温下的稳定性，反映 了材料在高温环境下的耐受能
材料现代分析方法PPT课件
第一篇 总论
（材料现代分析方法基础与概述）
第一章 电磁辐射与材料结构
第一节电磁辐射与物质波
一 电磁辐射与波粒二象性
电磁辐射（光的波动性）：在空间传播的交变电 磁场（电磁波）。
特点：不依赖物质存在；横波；同一介质中波速 不变；真空光速极限(c3108m/s)。
主要物理量：振幅；频率(Hz)；波长；相位。
• M叫谱线多重性符号，表示n与L一定的 光谱项由M个能量稍有差别的分裂能级 (光谱支项)构成。
• 能级的分裂取决于J，每一个光谱支项对 应于J的一个取值，M为J 可能取值的个 数(LS时，M=2S+1；L<S时，M=2L+1)
塞曼分裂
• 当有外磁场存在时，光谱支项将进一步 分裂为能量差异更小的若干能级，这种 现象叫塞曼(Zeeman)分裂。
真空中的相互关系：
=c
(1-1)
光的粒子性： 斯托列托夫实验（1872年，莫斯科大学）
• 实验结果 ：
• (1) 光照使真空管出现自 由电子。
• (2) 入射光的频率必须大 于某一确定值才有电子 出现，该值与真空管阴 极材料有关。
• 波动理论无法解释此现 象。
光电效应表明电磁辐射具有粒子性。
• 爱因斯坦的光电理论（1905年，1916年由 密立根实验证实）：
取值：L+S，L+S-1，…，|L-S|。当L<S 时有2L+1个值，当LS时有2S+1个值。
• M量J的称大总小磁，量取子值数：，0表，征±P1J,沿±外2,…磁,场±方J（向J分 为整数）或：0，±1/2，±3/2,…，±J(J 为半整数)。
原子的能级可用符号nMLJ表示，称为光 谱项
• 对应于L=0，1，2，3，4，… 常用大 写字母S，P，D，F，G，…表示。
材料分析方法周玉出社配套PPT课件机械工业出社
(1-4)
= I连 / iU = K1ZU
可见， X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射 线管的效率越高。因 K1 约(1.1~1.4)10-9，即使采用钨阳极
(Z = 74)、管电压100kV， 1%，效率很低。电子击靶时
大部分能量消耗使靶发热
12
第十二页，共四十一页。
第二节 X射线的产生及X射线谱
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础
第二章 X射线衍射方向
第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定
第七章 多晶体织构的测定
1
第一页，共四十一页。
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础 第九章 透射电子显微镜 第十章 电子衍射 第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十三章 扫描电子显微镜
第十四章 电子背散射衍射分析技术
第十五章 电子探针显微分析 第十六章 其他显微分析方法
2
第二页，共四十一页。
绪论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础
本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分析仪 器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结构和微 区成分的分析方法原理及其应用
一、衰减规律和吸收系数
复杂物质的质量吸收系数
对于多元素组成的复杂物质，如固溶体、化合物和混合
物等，其质量吸收系数仅取决于各组元的质量系数mi及各组 元的质量分数wi ，即
n
m miwi i1
连续谱的质量吸收系数
(1-15)
连续X射线穿过物质时，其质量吸收系数相当于一个有
材料现代分析方法课件- 概论
● 分 辨 率：0.34nm ● 加速电压：75KV－200KV ● 放大倍数：25万倍 ● 能 谱 仪：EDAX－9100 ● 扫描附件：S7010
JEM-2010透射电镜
加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94Å
CM200-FEG场发射枪电镜
加速电压20KV、40KV、80KV、 160KV、200KV 可连续设置加速电压 热场发射枪 晶格分辨率 1.4Å 点分辨率 2.4Å 最小电子束直径1nm 能量分辨率约1ev 倾转角度α=±20度
a axis (inclination)
Operation range:15～120°
b axis (intraplanar rotation)
Operation range:360°
Z axis (front and back) Operation range:10mm
Z axis
薄膜测试-Thin film measurement 极图测试-Pole figure measurement 残余应力-Residual Stress measurement
镍基合金中第二相（GdNi5）粒子在基体中的分布
母相
透射电镜-位向分析
母相 新相
图像分析的分辨率
（3）表面分析方法及分辨尺度
本课程主要内容
材料X射线衍射分析技术 材料微观结构的电子显微学分析 谱分析技术
1) X射线衍射分析技术
X射线物理学基础 X射线衍射方向 X射线衍射强度 多晶体分析方法 物相分析及点阵参数精确测定 宏观残余应力的测定 多晶体织构的测定
材料分析方法
Analysis Method of Materials
公认的材料科学与工程四大要素
JEM-2010透射电镜
加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94Å
CM200-FEG场发射枪电镜
加速电压20KV、40KV、80KV、 160KV、200KV 可连续设置加速电压 热场发射枪 晶格分辨率 1.4Å 点分辨率 2.4Å 最小电子束直径1nm 能量分辨率约1ev 倾转角度α=±20度
a axis (inclination)
Operation range:15～120°
b axis (intraplanar rotation)
Operation range:360°
Z axis (front and back) Operation range:10mm
Z axis
薄膜测试-Thin film measurement 极图测试-Pole figure measurement 残余应力-Residual Stress measurement
镍基合金中第二相（GdNi5）粒子在基体中的分布
母相
透射电镜-位向分析
母相 新相
图像分析的分辨率
（3）表面分析方法及分辨尺度
本课程主要内容
材料X射线衍射分析技术 材料微观结构的电子显微学分析 谱分析技术
1) X射线衍射分析技术
X射线物理学基础 X射线衍射方向 X射线衍射强度 多晶体分析方法 物相分析及点阵参数精确测定 宏观残余应力的测定 多晶体织构的测定
材料分析方法
Analysis Method of Materials
公认的材料科学与工程四大要素
材料研究方法三X射线衍射分析PPT课件
结构分析时所采用的就是K系X射线。
.
20
eU=1/2mV2
λmin=hc/eU
.
21
三、X射线与物质的相互作用
➢1.透射。强度减弱，波长不变，方向基本不变； ➢2.吸收。①能量以其他能量形式释放，如光电效应、 俄歇(Auger)效应、荧光效应等。②吸收。类似LB定 律。 ➢3.散射。原子使X射线偏离原来方向。 ①波长不变相干散射-Thomson散射；②有能量交换，波长变长， 非相干散射-Compton散射。
.
13
本章主要内容
➢ 1. X 射线介绍 ➢ 2. X 射线与物质的作用 ➢ 3. X 射线衍射仪器 ➢ 4. X 射线衍射分析方法 ➢ 5. X 射线衍射应用
.
14
一、X-射线的性质
➢ ①肉眼不能观察到，但可使照相底片感光、荧光
板发光和使气体电离； ➢ ②能透过可见光不能透过的物体； ➢ ③这种射线沿直线传播，在电场与磁场中不偏转， 在通过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅 亦不引起衍射； ➢ ④这种射线对生物有很厉害的生理作用。
穿透能力强，一般条件下不能被反射，几乎完全不发
生折射——X射线的粒子性比可见光显著的多
.
16
二、X-射线的产生
1.产生X-射线的方法：是使快速移动的电子(或 离子)骤然停止其运动，则电子的动能可部分转 变成X光能，即辐射出X-射线。
.
17
*X射线发生器的主要部件
➢ (1)阴极：钨灯，电流3-4A，加速电压5-8KV ➢ (2)阳极靶材：Cu/Mo/Ni等熔点高、导热性好的金属 ➢ (3)Be窗：d=0.2mm，可透过X射线。
X 射
铅 屏
底
线
晶体
材料分析方法-1-课件
X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在0.1nm以下的硬X射线
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
27
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
31
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
t-ZrO2 ZrSiO
4
Intensity
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
1
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
27
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
31
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
t-ZrO2 ZrSiO
4
Intensity
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
1
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
材料分析测试方法课件
详细描述
紫外光谱法利用紫外线照射样品，测量样品对不同波长紫外光的吸收或反射，从而获得样品的紫外光谱。紫外光 谱图中，不同波长的峰代表着不同的化学键或官能团，通过比对标准谱图可以确定样品的化学组成和结构。此外 ，紫外光谱法还可以用于研究材料的电子云分布和能级结构。
核磁共振
总结词
核磁共振是一种常用的材料分析方法， 可以提供分子结构和化学键信息，以及 材料的磁学性质。
THANKS
03
布氏硬度
通过测量压痕直径来确定硬度 ，主要适用于硬质材料，如钢
和硬铝合金。
韧性测试
要点一
冲击测试
通过在材料上施加冲击力来测量其韧性，通常使用摆锤冲 击仪进行测试。
要点二
弯曲测试
通过在材料上施加弯曲力来测量其韧性，通常使用三点或 四点弯曲测试仪进行测试。
拉伸测试
弹性模量测试
通过测量材料在拉伸过程中的弹性变形来计算弹性模量 ，通常使用拉伸试验机进行测试。
应用
常用于材料科学、化学、生物学等领域 ，用于研究材料的晶体结构和化学键结 构等。
优点
可以快速、准确地测定晶体结构，且对 样品的损害较小。
缺点
对于非晶体或复杂的多晶材料，分析结 果可能存在误差。
中子衍射分析
原理
中子衍射分析是一种通过测量中子 在晶体中衍射角度的方法，推断晶
体结构的技术。
应用
常用于研究材料内部的结构和化学 键等信息，尤其适用于研究原子序
数较小的元素。
优点
对于某些元素，如氢、硼等，中子 衍射比X射线衍射更具优势。
缺点
需要使用中子源，实验成本较高， 且对样品的损害程度尚不明确。
红外光谱法
01
原理
红外光谱法是一种通过测量样 品对红外光的吸收光谱的方法 ，推断样品分子结构的的技术
紫外光谱法利用紫外线照射样品，测量样品对不同波长紫外光的吸收或反射，从而获得样品的紫外光谱。紫外光 谱图中，不同波长的峰代表着不同的化学键或官能团，通过比对标准谱图可以确定样品的化学组成和结构。此外 ，紫外光谱法还可以用于研究材料的电子云分布和能级结构。
核磁共振
总结词
核磁共振是一种常用的材料分析方法， 可以提供分子结构和化学键信息，以及 材料的磁学性质。
THANKS
03
布氏硬度
通过测量压痕直径来确定硬度 ，主要适用于硬质材料，如钢
和硬铝合金。
韧性测试
要点一
冲击测试
通过在材料上施加冲击力来测量其韧性，通常使用摆锤冲 击仪进行测试。
要点二
弯曲测试
通过在材料上施加弯曲力来测量其韧性，通常使用三点或 四点弯曲测试仪进行测试。
拉伸测试
弹性模量测试
通过测量材料在拉伸过程中的弹性变形来计算弹性模量 ，通常使用拉伸试验机进行测试。
应用
常用于材料科学、化学、生物学等领域 ，用于研究材料的晶体结构和化学键结 构等。
优点
可以快速、准确地测定晶体结构，且对 样品的损害较小。
缺点
对于非晶体或复杂的多晶材料，分析结 果可能存在误差。
中子衍射分析
原理
中子衍射分析是一种通过测量中子 在晶体中衍射角度的方法，推断晶
体结构的技术。
应用
常用于研究材料内部的结构和化学 键等信息，尤其适用于研究原子序
数较小的元素。
优点
对于某些元素，如氢、硼等，中子 衍射比X射线衍射更具优势。
缺点
需要使用中子源，实验成本较高， 且对样品的损害程度尚不明确。
红外光谱法
01
原理
红外光谱法是一种通过测量样 品对红外光的吸收光谱的方法 ，推断样品分子结构的的技术
《材料分析》课件
绿色环保
发展可再生、可循环利用的材料，降 低材料生产和使用过程中的环境污染 ，实现可持续发展。
复合化
通过材料的复合化，实现各材料之间 的优势互补，提高材料的综合性能和 应用范围。
THANKS
感谢观看
析有助于提高飞行器和航天器的性能和安全性。
02
CATALOGUE
材料分析方法化学分析法总结词通过化学反应对材料进行定性和定量分析的方法。
详细描述
化学分析法是利用化学反应来测定材料中组分的含量。它通常包括滴定分析、重 量分析和气体分析等方法。这些方法可以确定材料中各种元素的含量，以及化合 物或离子的存在与否。
《材料分析》 ppt课件
contents
目录
• 材料分析概述 • 材料分析方法 • 材料性能分析 • 材料结构分析 • 材料成分分析 • 材料应用与发展趋势
01
CATALOGUE
材料分析概述
材料分析的定义
总结词
材料分析是对材料进行测试、表征和鉴别的过程，旨在了解材料的性质、结构 和性能。
详细描述
X射线衍射分析
电子衍射分析
利用电子在晶体中的衍射现象，进行 晶体结构分析和测定。
利用X射线在晶体中的衍射现象，分 析晶体的晶格常数、晶面间距等晶体 结构参数。
分子结构分析
01
02
03
分子几何构型
根据分子中原子之间的连 接方式和空间排列，确定 分子的几何构型，如直线 型、平面型、立体型等。
分子光谱分析
利用分子吸收光谱和发射 光谱的特性，分析分子内 部的结构和运动状态。
分子力学计算
利用量子力学和分子力学 计算方法，模拟分子的结 构和性质，预测分子的物 理和化学性质。
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1
可编辑
主要内容
1 光的折射和光学透镜成像 2 光的衍射与光学显微镜分辨本领理论极限 3 电子波长 4 电磁透镜 5 电磁透镜的像差及其对分辨率的影响 6 景深和焦长
2
可编辑
6-1 光的折射和光学透镜成像
光的折射：光在均匀介质 中直线传播，当从一介质 传播到另一介质时，因光 的传播速度随介质而变， 故光的传播方向在两介质 的分界面发生突变。光在 不同介质中其频率是恒定 不变的。
M（6-1）
7
可编辑
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靠得太近，过分重 叠，图象就模糊不清。
L
D
强度
d
O1 O2
B2 Md
B1
（a）
（b）
图（a）点O1 、 O2 形成两个Airy斑； 图（b）是强度分布。
8
可编辑 9
13
可编辑
有效放大倍数
r0 ，2 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。可见光的最短波长 是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是 ≈200nm。
一般地人眼的分辨本领是大约0.2mm，光学显微镜的最 大分辨率大约是0.2μm。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。
20
0.00859
120
0.00334
40
0.00601
160
0.00285
60
0.00487
200
0.00251
80
0.00418
500
0.00142
100
0.00371Leabharlann 10000.00087
16
可编辑
6-4 电磁透镜
电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会聚成像。 但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束 折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像 的目的。人们把用静电场构成的透镜称之“静电 透镜”；把电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称 之“电磁透镜”。
4
可编辑
透镜成像：
遵循关系式： 放大倍数
1 ＋ 1 ＝1
L1
L2
f
M AB
L2
AB
L1
5
可编辑
6-2 光的衍射与光学显微镜分辨本领理论极限
光的衍射：光是电磁波，具有波动性，使由透镜各部分 折射到像平面上的像点与周围区域的光波相互间产生衍射现 象。
一个理想的点光源通过透镜成像时，因衍射效应，不能得 到一个理想的像点，而是形成一个具有一定尺寸的中央亮斑 和周围明暗相间的圆环，称埃利斑。
可编辑
0.81I
I
图（a）两个Airy斑 图（b）两个Airy 图（c）两个
明显可分辨出。
斑刚好可分辨出。 Airy斑分辨不出。
10
可编辑
透镜分辨率
当两斑的间距等于R0时，在像上这两个斑是可以区分的， 能分辨像上的两斑也即能分清物上对应的物平面上两物点。 此时，两物点间距（Δr0）定义为透镜能分辨的最小间距， 即透镜分辨率（也称分辨本领）。由式6-1得：
6
可编辑
测量结果表明Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上， 其余分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低， 一般肉眼不易分辨，只能看到中心亮斑。
因此通常以Airy斑的第一暗环的半径来衡量其大小。根据 衍射理论推导，点光源通过透镜产生的Airy斑半径R0的表 达式为：
R ＝ 0.61 0 nsin
即
r0
R0 M
r0
0.61
n sin （6-2）
11
可编辑
讨论：
r0＝
R0 M
061 nsin
r0即为透镜的分辨率
越小，r0越小，分辨率越高
越大、n越大，r0越小，分辨率越高
极限情况： m ax
70
75 , n
1.5，r0
2
,
对可见光＝3900－7600 A，r0＝2000 A 0.2m
n的介质中，v , c n
0
n
sin
v1
1
n2
sin
v2
2
n1
3
可编辑
光学透镜成像：光的折射是可见 光聚焦成像的基础。
薄透镜的性质： 通过透镜中心C的光线不发生
折射。 一束平行于主光轴的光通过透
镜后会聚于透镜另一侧的主光 轴上的某一点称焦点F。 前焦点处的光散射经透镜后变 成一束平行于主光轴的平行光。
可编辑
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。
更短的波长是X射线。但是，迄今为止还没有找到能使X 射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说 还没有X射线的透镜存在。因此X射线也不能作为显微镜 的照明光源。
除了电磁波谱外，在物质波中，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。
h
mv
式中，h为普郎克常数；m为电子质量；v 为电子运动速度，它和加速电压U之间存 在如下关系：
1
mv 2
即
eU
2
v 2eU m
式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。 上式整理得： h
2emU
15
可编辑
不同加速电压下的电子波波长
加速电压U/KV 电子波波长λ/nm 加速电压U/KV 电子波波长λ/nm
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而已。 所以光学显微镜的放大倍数一般最高在1000-1500之间。
14
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6-3 电子波长
根据德布罗意（de Broglie）的观点，运 动的电子除了具有粒子性外，还具有波动 性。这一点上和可见光相似。电子波的波 长取决于电子运动的速度和质量，即
12
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如何提高显微镜的分辨率
根据式 r0 要2 想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明 光源的波长。顺着电磁波谱朝短波长方向寻找， γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
紫外光的波长在13-390nm之间，比可见光短多了。但 是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作 为照明光源。
可编辑
主要内容
1 光的折射和光学透镜成像 2 光的衍射与光学显微镜分辨本领理论极限 3 电子波长 4 电磁透镜 5 电磁透镜的像差及其对分辨率的影响 6 景深和焦长
2
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6-1 光的折射和光学透镜成像
光的折射：光在均匀介质 中直线传播，当从一介质 传播到另一介质时，因光 的传播速度随介质而变， 故光的传播方向在两介质 的分界面发生突变。光在 不同介质中其频率是恒定 不变的。
M（6-1）
7
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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靠得太近，过分重 叠，图象就模糊不清。
L
D
强度
d
O1 O2
B2 Md
B1
（a）
（b）
图（a）点O1 、 O2 形成两个Airy斑； 图（b）是强度分布。
8
可编辑 9
13
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有效放大倍数
r0 ，2 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。可见光的最短波长 是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是 ≈200nm。
一般地人眼的分辨本领是大约0.2mm，光学显微镜的最 大分辨率大约是0.2μm。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。
20
0.00859
120
0.00334
40
0.00601
160
0.00285
60
0.00487
200
0.00251
80
0.00418
500
0.00142
100
0.00371Leabharlann 10000.00087
16
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6-4 电磁透镜
电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会聚成像。 但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束 折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像 的目的。人们把用静电场构成的透镜称之“静电 透镜”；把电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称 之“电磁透镜”。
4
可编辑
透镜成像：
遵循关系式： 放大倍数
1 ＋ 1 ＝1
L1
L2
f
M AB
L2
AB
L1
5
可编辑
6-2 光的衍射与光学显微镜分辨本领理论极限
光的衍射：光是电磁波，具有波动性，使由透镜各部分 折射到像平面上的像点与周围区域的光波相互间产生衍射现 象。
一个理想的点光源通过透镜成像时，因衍射效应，不能得 到一个理想的像点，而是形成一个具有一定尺寸的中央亮斑 和周围明暗相间的圆环，称埃利斑。
可编辑
0.81I
I
图（a）两个Airy斑 图（b）两个Airy 图（c）两个
明显可分辨出。
斑刚好可分辨出。 Airy斑分辨不出。
10
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透镜分辨率
当两斑的间距等于R0时，在像上这两个斑是可以区分的， 能分辨像上的两斑也即能分清物上对应的物平面上两物点。 此时，两物点间距（Δr0）定义为透镜能分辨的最小间距， 即透镜分辨率（也称分辨本领）。由式6-1得：
6
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测量结果表明Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上， 其余分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低， 一般肉眼不易分辨，只能看到中心亮斑。
因此通常以Airy斑的第一暗环的半径来衡量其大小。根据 衍射理论推导，点光源通过透镜产生的Airy斑半径R0的表 达式为：
R ＝ 0.61 0 nsin
即
r0
R0 M
r0
0.61
n sin （6-2）
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讨论：
r0＝
R0 M
061 nsin
r0即为透镜的分辨率
越小，r0越小，分辨率越高
越大、n越大，r0越小，分辨率越高
极限情况： m ax
70
75 , n
1.5，r0
2
,
对可见光＝3900－7600 A，r0＝2000 A 0.2m
n的介质中，v , c n
0
n
sin
v1
1
n2
sin
v2
2
n1
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光学透镜成像：光的折射是可见 光聚焦成像的基础。
薄透镜的性质： 通过透镜中心C的光线不发生
折射。 一束平行于主光轴的光通过透
镜后会聚于透镜另一侧的主光 轴上的某一点称焦点F。 前焦点处的光散射经透镜后变 成一束平行于主光轴的平行光。
可编辑
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。
更短的波长是X射线。但是，迄今为止还没有找到能使X 射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说 还没有X射线的透镜存在。因此X射线也不能作为显微镜 的照明光源。
除了电磁波谱外，在物质波中，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。
h
mv
式中，h为普郎克常数；m为电子质量；v 为电子运动速度，它和加速电压U之间存 在如下关系：
1
mv 2
即
eU
2
v 2eU m
式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。 上式整理得： h
2emU
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可编辑
不同加速电压下的电子波波长
加速电压U/KV 电子波波长λ/nm 加速电压U/KV 电子波波长λ/nm
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而已。 所以光学显微镜的放大倍数一般最高在1000-1500之间。
14
可编辑
6-3 电子波长
根据德布罗意（de Broglie）的观点，运 动的电子除了具有粒子性外，还具有波动 性。这一点上和可见光相似。电子波的波 长取决于电子运动的速度和质量，即
12
可编辑
如何提高显微镜的分辨率
根据式 r0 要2 想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明 光源的波长。顺着电磁波谱朝短波长方向寻找， γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
紫外光的波长在13-390nm之间，比可见光短多了。但 是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作 为照明光源。