光鏡與電鏡技術(shù)4、透射電鏡原理

1、第一章:電子顯微鏡的原理和結(jié)構(gòu)第二部分:電鏡技術(shù)第二節(jié)：透射電子顯微鏡第二部分:電鏡技術(shù)第二節(jié)：透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡:簡稱“透鏡” 透射電子顯微鏡具有和光學(xué)顯微鏡相似結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，不同的是：1、用電子射線代替了照明的光線，2、用電磁透鏡代替光學(xué)顯微鏡的聚光鏡、 物鏡和目鏡，3、用熒光屏代替肉眼直接觀察。4、使用了極短的電子波，能獲得極高 的分辨本領(lǐng)。5、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第二節(jié)：透射電子顯微鏡第二節(jié)：透射電子顯微鏡透射電鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二節(jié)：透射電子顯微鏡真空泵管路第二節(jié)：透射電子顯微鏡 電子顯微鏡的鏡筒內(nèi)部要求高度真空，并且要有一整套的供電系統(tǒng)。 電鏡的成像原理和光學(xué)顯微鏡不同。 在光學(xué)顯微鏡中：光

2、束透過樣品時，由于樣品與光子流的相互作用產(chǎn)生不同程度的吸收、反射、折射和散射，其中主要是樣品各部分對光的吸收特性不同而形成明暗不同的像。吸收光線少的部位，其像明亮，吸收光線多的部位，像黑暗。第二節(jié)：透射電子顯微鏡第二節(jié)：透射電子顯微鏡 （transmission electron microscope TEM）現(xiàn)代電子顯微鏡的基本形式 在電鏡中：電子射線在幾萬伏的加速電壓作用下，以極高的速度聚到樣品上，高速的電子與樣品中的原子發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生散射現(xiàn)象。 由于標(biāo)本中各部分結(jié)構(gòu)的厚度和密度不同，電子束受阻和產(chǎn)生散射情況也不同，因此透過標(biāo)本的電子束就有疏密的區(qū)別，射到熒光屏上就會出現(xiàn)明暗不同的影像

3、。第二節(jié)：透射電子顯微鏡第二節(jié)：透射電子顯微鏡一、電子束和電磁透鏡1-1第二節(jié)：透射電子顯微鏡 電子顯微鏡是利用電子射線即電子束作光源使物體成像， 要了解電子顯微鏡的原理，首先就要了解電子射線的特性。一、電子束和電磁透鏡 電子束實際上是一種陰極射線，是帶負(fù)電荷的粒子，它和其它的光線一樣，具有雙重性:1、具有波動性，2、具有粒子性。一、電子束和電磁透鏡 1924年，De Broglie證明粒子在高速運動的時候會發(fā)射出一定波長的電磁輻射，它的波長用公式表示為： 是代表波長； h 是Planck（普郎克）常數(shù)； m 是粒子的質(zhì)量； v 是粒子運動的速度。一、電子束和電磁透鏡 如果高速運動的粒子是電子

4、，那么，電子在真空中運動的速度與加速電壓有關(guān)，根據(jù)能量守恒定律: e是電子的電荷絕對值， V是加速電壓(KV)一、電子束和電磁透鏡 從上述式中可以算出電子的速度為: 由于電子的質(zhì)量m約為質(zhì)子e的1/1840，把m，v都代入公式，公式可改寫成:一、電子束和電磁透鏡根據(jù)上述公式： 當(dāng)V= 50KV的時候，=0.053埃， 當(dāng)V=100KV的時候，=0.037埃?？梢?，加速電壓越高， 電子束的波長越短?，F(xiàn)將由上式計算得出的電子束波長值列入附表：一、電子束和電磁透鏡加速電壓（kV）1.05.010.025.050.075.0100.0300.0500.01000.03000.0電子束波長()0.387

5、0.1730.1220.0770.0530.0440.0370.0220.0170.0120.007加速電壓與波長的關(guān)系一、電子束和電磁透鏡 電子是帶負(fù)電荷的粒子，其運動方式不同于光，電子的運動主要受所處磁場和電場強度的影響，而改變其行進方向。 德國物理學(xué)家Busch早在1926年即已指出:“具有軸對稱性的磁場對電子束說來起著透鏡的作用”。他從理論上奠定了可利用磁場作為電子透鏡的基礎(chǔ)。一、電子束和電磁透鏡 當(dāng)線圈中通以電流時，線圈周圍形成磁場，從線圈中心軸某一點發(fā)出的電子，在磁場中沿螺旋線軌跡前進，然后會聚在中心軸的其它一點上。 電子束來說，磁場起著透鏡的作用，有聚焦的特性，故稱之為“電磁透鏡

6、”。一、電子束和電磁透鏡5-1一、電子束和電磁透鏡 電鏡的電磁透鏡在線圈外包有軟鐵的屏蔽外殼，線圈內(nèi)側(cè)多數(shù)裝有高精度加工的鐵鈷合金極靴，極靴的作用是使形成的高強度磁場盡可能集中在沿軸的-個很窄的范圍內(nèi)。 極靴的形狀直接影響成象質(zhì)量，所以，極靴(特別是物鏡成像極靴)是電子顯微鏡中最重要的部件。一、電子束和電磁透鏡 電子在軸對稱磁場作用下的行為與光學(xué)透鏡一樣，也服從幾何光學(xué)定律，磁透鏡的焦距可以用光學(xué)透鏡的公式計算出。 透鏡焦距和所采用的磁場強度有關(guān)，磁場越強，焦距越短，放大倍數(shù)也就越高。現(xiàn)代電子顯微鏡的成像物鏡大多數(shù)采用短焦距的強磁透鏡。一、電子束和電磁透鏡 在理想的情況下，電鏡中的物鏡、中間鏡

7、和投射鏡可以利用光學(xué)中透鏡成像公式，與光學(xué)的簡單作圖法相似： 一、電子束和電磁透鏡一、電子束和電磁透鏡一、電子束和電磁透鏡 電子的穿透力很弱，唯有在高真空條件下才可能達到一定的自由行程，故電鏡鏡筒必須保持高真空（10-4乇以上），樣品必須很薄，一般在100KV加速電壓時，樣品厚度不應(yīng)超過0.1微米。 電子束對人眼不能引起視覺反應(yīng)，但可激發(fā)熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光，故電鏡的觀察部份設(shè)有熒光屏。一、電子束和電磁透鏡一、電子束和電磁透鏡二、電鏡成象的原理第二節(jié)：透射電子顯微鏡電磁透鏡的特性二、電鏡成象的原理二、電鏡成象的原理1、球面象差及畸變2、衍射象差3、色差4、象散5、景深6、焦深7、磁滯8、反差與成像

8、二、電鏡成象的原理二、電鏡成象的原理1-1、球面象差二、電鏡成象的原理1-2、畸變二、電鏡成象的原理4、象散二、電鏡成象的原理5、景深二、電鏡成象的原理6、焦深 普通光學(xué)顯微鏡以互不作用的光子流可見光為照明源，當(dāng)光線透過樣品組織結(jié)構(gòu)部分時，產(chǎn)生不同程度的吸收、反射、折射和散射，從而形成明暗不同的組織結(jié)構(gòu)影像。 吸收產(chǎn)生振幅差即強度差（反差），肉眼對此最為敏感，它是光學(xué)顯微鏡成像中最重要的因素。二、電鏡成象的原理二、電鏡成象的原理 電鏡是以電子束為照射源，當(dāng)由熱陰極發(fā)射的電子，在幾十到幾百萬伏電壓作用下，經(jīng)電子聚光鏡聚焦成電子束，以較高的速度投射到樣品上，并和樣品中的原子發(fā)生碰撞產(chǎn)生了一系列的現(xiàn)

9、象，形成了反差。二、電鏡成象的原理二、電鏡成象的原理 任何一個物體都是由原子組成的，原子則是由原子核與軌道電子(電子云)組成的。 原子與原子的間距，比原子核或電子本身的大小要長幾百萬倍。二、電鏡成象的原理 對于電子來說，物體就好象是一個實體，它在空間的分布是非常稀疏的。當(dāng)電子束照射在樣品上的時候，大部份電子都能從原子與原子之間的空隙中穿透過去，而只有極少一部分的電子會與原子的原子核或原子軌道電子發(fā)生碰撞。二、電鏡成象的原理二、電鏡成象的原理 如果電子是和原子核發(fā)生碰撞，電子基本上不損失能量，而只是改變運動方向，這種碰撞稱為彈性碰撞，此電子發(fā)生了“彈性散射”作用。 如果電子是和軌道電子碰撞，電子

10、不僅會改變原來運動的方向，而且還會損失一部分能量，這種碰撞稱為非彈性碰撞，此電子發(fā)生了“非彈性散射”作用。二、電鏡成象的原理二、電鏡成象的原理 由于物體上不同部位的結(jié)構(gòu)不同，它們散射電子的能力也各不相同，結(jié)果使透過樣品的電子束發(fā)生疏密的差別。 在散射電子能力強的地方，透過去的電子數(shù)目就少，因而打在熒光屏上所發(fā)出的光就弱，顯現(xiàn)為暗區(qū)； 而散射電子弱的地方，透過的電子數(shù)目多，打在熒光屏上所發(fā)出的光就強，顯現(xiàn)為亮區(qū)。 這樣便在終像上造成了有亮有暗的區(qū)域，因而出現(xiàn)了反差，人眼就可以辨別。二、電鏡成象的原理 成像電子通過樣品時，所碰到的原子數(shù)目越多，散射的可能性就越大。散射量和樣品的厚度成正比。 原子核的大小和原子序數(shù)直接有關(guān)，就是和樣品本身的密度有關(guān)。 原子核越大，它帶的正電越多，則核周圍電子云中的電子也就越多，這樣散射的機率就越大。二、電鏡成象的原理 樣品中各部分質(zhì)量厚度的差異會引起不同的散射，當(dāng)均勻的電子束穿過樣品時就受到樣品上信息的處理，變成一束疏密相間的電子束。散射角度較大的電子在通過物鏡光欄是就被去除了。 在生物樣品中細(xì)胞和組織主要由較輕的低原子序數(shù)的原子如碳、氫、氧、氮等組成，這些原子的電子散射能力很小。 二、電鏡成象的原理 樣品被切成菲薄的切片，質(zhì)量厚度很小，電