电子显微分析绪论

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1、8-1前言电子显微镜(electronmicroscope，EM)一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产生散射之原理来研究物质构造及微细结构的精密仪器。近年来，由於电子光学的理论及应用发展迅速，此项定义已嫌狭窄，故重新定义其为一项利用电子与物质作用所产生之讯号来监定微区域晶体结构(crystalstructure，CS)、微细组织(microstructure，MS)、化学成份(chemicalcomposition，CC)、化学键结(chemicalbonding，CB)和电子分布情况(elec

2、tronicstructure，ES)的电子光学装置。绪论用电子光学仪器研究物质组织、结构、成份的技术称为电子显微术。众所周知，现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作者能够及时提供具有良好力学性能的结构材料及具有各种物理化学性能的功能材料。而材料的性能往往取决于它的微观结构及成分分布。因此，为了研究新的材料或改善传统材料，必须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在制备、加工及使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各种环境因素作用下等）微观结构和微区成分的变化，并进而揭示材料成分—工艺—微观结构—性能之间关系的规

3、律，建立和发展材料科学的基本理论。改炒菜式为合金设计。8-2发展史我们在学习光学金相技术课程曾学习了阿贝公式，光学显微镜的分辨率与光波的波长成正比，即波长越短，显微镜的分辨率就越高。但是在阿贝时代（18世纪后半叶到19世纪初），已知的所有的光即使是波长最短的紫外光，也未能使光学显微镜的分辨率极限达到100纳米以下。这种状况使得阿贝本人都感叹“人类的创造性已基本没有希望找到方法和途径克服这个极限了”。但是，人类的创造力有时会超出人类的想象力。伦琴发现的X射线就曾给提高显微镜分辨率带来一线希望。X射线波长(为0.0

4、1～10nm)之短，比可见光波中最小的紫外线的波长（为365nm）小得多。这么小得波长且具有很强穿透本领的射线，当然是制造具有超级分辩率显微镜的理想光源。然而，令人遗憾的使，当时人们并无办法制造出能使X射线像光学那样聚焦的透镜。当然，现在科学家已研制出多种可将X射线聚焦的方法。方法之一就是利用梭拉光阑和狭缝光阑使发散的X射线聚焦。X射线虽然未能在显微镜方面发挥作用，但却给了科学家们一个重要的启示，那就是在这个世界上仍然存在着比光波波长更短的“光线”。而这正是制造超级显微镜的希望所在。时间进入到20世纪20年代。

5、在1923年至1926年的三年时间内，相继问世了三项重要发现，奏响了人类发明电子显微镜的序曲。1923年，法国的科学家德布罗意（LouisBroglie）首先提出了电子的波粒二象性的设想。即电子虽可被看作粒子，但运动中的电子也具备波的性质。德布罗意因此获得了1929年的诺贝尔物理学奖，成为一百多年至今荣获诺贝尔奖的学者中唯一具有亲王头衔的人。德布罗意的大胆推测得益于当时物理界的两大划世纪的突破——相对论和量子力学的建立。借助于这两大利器，德布罗意在阐述了电子波粒二象性之后，又成功地推导出电子波长的正确表达式：。

6、这个电子波长被称为德布罗意波长。在这个电子波长的表达式中，电子的质量与速度都取决于电子的加速电压。例如，如果电子在6万伏的电场中加速运动，其电子波长大约为0.005nm，而如果加速电压提升至20万伏，则电子的波长减小一般，约为0.0025nm。这么小的波长正是制造超高分辨率显微镜的绝好“光源”。而由当时已知的X射线在晶体中的衍射行为，人们也可推知电子波在晶体中也应有类似的衍射。形式看起来不错，但是且慢，阻碍X射线显微镜发展的问题在此再一次浮现。电子束能象光线那样被透镜聚焦吗？换句话说，与光学玻璃透镜功能相对应的

7、电子透镜存在吗？事实是，在德布罗意阐明电子波动性的1924年，电子透镜并不存在，但是她的诞生也不远了。紧随德布罗意的电子波动性理论之后，另一位量子力学的著名奠基人之一奥地利的物理学家薛定锷受爱因斯坦的启发，利用几百年前哈密顿提出的粒子运动动力学与光学的相似性理论，于1926年成功地推导出电子波在电磁场中的运动方程。将当时已成规模的量子力学理论推向了更高层次，可以解释在此之前量子力学所不能解释的原子或分子光谱的原理。薛定锷因此获得了1933年的诺贝尔物理学奖。不仅如此，薛定锷方程阐明了电子的传播动力学轨迹与光学系

8、统的概念相对应的事实。如果假如光波的传播介质（如玻璃）之折射常数正比于电子运动速度，则电子波在电磁场中传播与光波（光波是一种电磁波）在介质中传播可以完全比拟。这一重要的可比性，提出了一个问题，光波既然可经透镜聚焦，电子束也应该可以聚焦。但是如何实现呢？历史的巧合常令人感到不可思议。就在薛定锷于1926年奠定电子波在电磁场中传播的理论基础的几乎同时，布施（H.W.H.Busch,德国人）