光镜与电镜技术4、透射电镜原理

1、第一章:电子显微镜的原理和结构第二部分:电镜技术第二节：透射电子显微镜第二部分:电镜技术第二节：透射电子显微镜透射电子显微镜:简称“透镜” 透射电子显微镜具有和光学显微镜相似结构系统，不同的是：1、用电子射线代替了照明的光线，2、用电磁透镜代替光学显微镜的聚光镜、 物镜和目镜，3、用荧光屏代替肉眼直接观察。4、使用了极短的电子波，能获得极高 的分辨本领。5、结构复杂。第二节：透射电子显微镜第二节：透射电子显微镜透射电镜内部结构第二节：透射电子显微镜真空泵管路第二节：透射电子显微镜 电子显微镜的镜筒内部要求高度真空，并且要有一整套的供电系统。 电镜的成像原理和光学显微镜不同。 在光学显微镜中：光

2、束透过样品时，由于样品与光子流的相互作用产生不同程度的吸收、反射、折射和散射，其中主要是样品各部分对光的吸收特性不同而形成明暗不同的像。吸收光线少的部位，其像明亮，吸收光线多的部位，像黑暗。第二节：透射电子显微镜第二节：透射电子显微镜 （transmission electron microscope TEM）现代电子显微镜的基本形式 在电镜中：电子射线在几万伏的加速电压作用下，以极高的速度聚到样品上，高速的电子与样品中的原子发生碰撞，从而产生散射现象。 由于标本中各部分结构的厚度和密度不同，电子束受阻和产生散射情况也不同，因此透过标本的电子束就有疏密的区别，射到荧光屏上就会出现明暗不同的影像

3、。第二节：透射电子显微镜第二节：透射电子显微镜一、电子束和电磁透镜1-1第二节：透射电子显微镜 电子显微镜是利用电子射线即电子束作光源使物体成像， 要了解电子显微镜的原理，首先就要了解电子射线的特性。一、电子束和电磁透镜 电子束实际上是一种阴极射线，是带负电荷的粒子，它和其它的光线一样，具有双重性:1、具有波动性，2、具有粒子性。一、电子束和电磁透镜 1924年，De Broglie证明粒子在高速运动的时候会发射出一定波长的电磁辐射，它的波长用公式表示为： 是代表波长； h 是Planck（普郎克）常数； m 是粒子的质量； v 是粒子运动的速度。一、电子束和电磁透镜 如果高速运动的粒子是电子

4、，那么，电子在真空中运动的速度与加速电压有关，根据能量守恒定律: e是电子的电荷绝对值， V是加速电压(KV)一、电子束和电磁透镜 从上述式中可以算出电子的速度为: 由于电子的质量m约为质子e的1/1840，把m，v都代入公式，公式可改写成:一、电子束和电磁透镜根据上述公式： 当V= 50KV的时候，=0.053埃， 当V=100KV的时候，=0.037埃。可见，加速电压越高， 电子束的波长越短。现将由上式计算得出的电子束波长值列入附表：一、电子束和电磁透镜加速电压（kV）1.05.010.025.050.075.0100.0300.0500.01000.03000.0电子束波长()0.387

5、0.1730.1220.0770.0530.0440.0370.0220.0170.0120.007加速电压与波长的关系一、电子束和电磁透镜 电子是带负电荷的粒子，其运动方式不同于光，电子的运动主要受所处磁场和电场强度的影响，而改变其行进方向。 德国物理学家Busch早在1926年即已指出:“具有轴对称性的磁场对电子束说来起着透镜的作用”。他从理论上奠定了可利用磁场作为电子透镜的基础。一、电子束和电磁透镜 当线圈中通以电流时，线圈周围形成磁场，从线圈中心轴某一点发出的电子，在磁场中沿螺旋线轨迹前进，然后会聚在中心轴的其它一点上。 电子束来说，磁场起着透镜的作用，有聚焦的特性，故称之为“电磁透镜

6、”。一、电子束和电磁透镜5-1一、电子束和电磁透镜 电镜的电磁透镜在线圈外包有软铁的屏蔽外壳，线圈内侧多数装有高精度加工的铁钴合金极靴，极靴的作用是使形成的高强度磁场尽可能集中在沿轴的-个很窄的范围内。 极靴的形状直接影响成象质量，所以，极靴(特别是物镜成像极靴)是电子显微镜中最重要的部件。一、电子束和电磁透镜 电子在轴对称磁场作用下的行为与光学透镜一样，也服从几何光学定律，磁透镜的焦距可以用光学透镜的公式计算出。 透镜焦距和所采用的磁场强度有关，磁场越强，焦距越短，放大倍数也就越高。现代电子显微镜的成像物镜大多数采用短焦距的强磁透镜。一、电子束和电磁透镜 在理想的情况下，电镜中的物镜、中间镜

7、和投射镜可以利用光学中透镜成像公式，与光学的简单作图法相似： 一、电子束和电磁透镜一、电子束和电磁透镜一、电子束和电磁透镜 电子的穿透力很弱，唯有在高真空条件下才可能达到一定的自由行程，故电镜镜筒必须保持高真空（10-4乇以上），样品必须很薄，一般在100KV加速电压时，样品厚度不应超过0.1微米。 电子束对人眼不能引起视觉反应，但可激发荧光物质产生荧光，故电镜的观察部份设有荧光屏。一、电子束和电磁透镜一、电子束和电磁透镜二、电镜成象的原理第二节：透射电子显微镜电磁透镜的特性二、电镜成象的原理二、电镜成象的原理1、球面象差及畸变2、衍射象差3、色差4、象散5、景深6、焦深7、磁滞8、反差与成像

8、二、电镜成象的原理二、电镜成象的原理1-1、球面象差二、电镜成象的原理1-2、畸变二、电镜成象的原理4、象散二、电镜成象的原理5、景深二、电镜成象的原理6、焦深 普通光学显微镜以互不作用的光子流可见光为照明源，当光线透过样品组织结构部分时，产生不同程度的吸收、反射、折射和散射，从而形成明暗不同的组织结构影像。 吸收产生振幅差即强度差（反差），肉眼对此最为敏感，它是光学显微镜成像中最重要的因素。二、电镜成象的原理二、电镜成象的原理 电镜是以电子束为照射源，当由热阴极发射的电子，在几十到几百万伏电压作用下，经电子聚光镜聚焦成电子束，以较高的速度投射到样品上，并和样品中的原子发生碰撞产生了一系列的现

9、象，形成了反差。二、电镜成象的原理二、电镜成象的原理 任何一个物体都是由原子组成的，原子则是由原子核与轨道电子(电子云)组成的。 原子与原子的间距，比原子核或电子本身的大小要长几百万倍。二、电镜成象的原理 对于电子来说，物体就好象是一个实体，它在空间的分布是非常稀疏的。当电子束照射在样品上的时候，大部份电子都能从原子与原子之间的空隙中穿透过去，而只有极少一部分的电子会与原子的原子核或原子轨道电子发生碰撞。二、电镜成象的原理二、电镜成象的原理 如果电子是和原子核发生碰撞，电子基本上不损失能量，而只是改变运动方向，这种碰撞称为弹性碰撞，此电子发生了“弹性散射”作用。 如果电子是和轨道电子碰撞，电子

10、不仅会改变原来运动的方向，而且还会损失一部分能量，这种碰撞称为非弹性碰撞，此电子发生了“非弹性散射”作用。二、电镜成象的原理二、电镜成象的原理 由于物体上不同部位的结构不同，它们散射电子的能力也各不相同，结果使透过样品的电子束发生疏密的差别。 在散射电子能力强的地方，透过去的电子数目就少，因而打在荧光屏上所发出的光就弱，显现为暗区； 而散射电子弱的地方，透过的电子数目多，打在荧光屏上所发出的光就强，显现为亮区。 这样便在终像上造成了有亮有暗的区域，因而出现了反差，人眼就可以辨别。二、电镜成象的原理 成像电子通过样品时，所碰到的原子数目越多，散射的可能性就越大。散射量和样品的厚度成正比。 原子核的大小和原子序数直接有关，就是和样品本身的密度有关。 原子核越大，它带的正电越多，则核周围电子云中的电子也就越多，这样散射的机率就越大。二、电镜成象的原理 样品中各部分质量厚度的差异会引起不同的散射，当均匀的电子束穿过样品时就受到样品上信息的处理，变成一束疏密相间的电子束。散射角度较大的电子在通过物镜光栏是就被去除了。 在生物样品中细胞和组织主要由较轻的低原子序数的原子如碳、氢、氧、氮等组成，这些原子的电子散射能力很小。 二、电镜成象的原理 样品被切成菲薄的切片，质量厚度很小，电