簡述電子顯微鏡的發(fā)展史、原理及其應(yīng)用.doc

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簡述電子顯微鏡的發(fā)展史、原理及其應(yīng)用 摘要 在德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，由分析衍射條紋得出的波長與德布羅意波長公式的計(jì)算結(jié)果符合的很好。這證明電子像X射線一樣具有波動(dòng)性，同時(shí)也證明了德布羅意公式的正確性[1]，更為電子顯微鏡的研究提供了理論依據(jù)，使得人們對(duì)微觀世界的觀察進(jìn)入到一個(gè)全新的時(shí)期。 一.電子顯微鏡的發(fā)展史 電子顯微鏡的產(chǎn)生要追溯到19世紀(jì)末的一系列科學(xué)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)Abbe建立了顯微鏡分辨率的理論，即認(rèn)為用顯微鏡看不到比顯微鏡的光源波長還小的物體。從這個(gè)理論出發(fā)，人們意識(shí)到用光學(xué)顯微鏡看不到原子。不過從另一方面看，Abbe的理論也指出了，如果能找到一個(gè)比光波波長還短的光源，就能提高顯微鏡的分辨率。1924年是近代科學(xué)史上的新紀(jì)元。德布羅意提出了波檢二重性的假說．并很快的為電子衍射的發(fā)現(xiàn)所證實(shí)。初國的布什又開創(chuàng)了電磁透鏡的理論。具備了上述兩個(gè)條件，使人們產(chǎn)生了制作一個(gè)新型顯微鏡的想法，即用具有波動(dòng)性的電子做光源，再用電磁透鏡來放大[2]。1926年漢斯布什研制了第一個(gè)磁力電子透鏡。1931年厄恩斯特盧斯卡和馬克斯克諾爾研制了第一臺(tái)透視電子顯微鏡，他也因此而在1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1938年盧卡斯在西門子公司研制了第一臺(tái)商業(yè)電子顯微鏡，其分辨率優(yōu)于100埃。與此同時(shí)菲利浦公司和美國半導(dǎo)體公司也在積極研究和生產(chǎn)電子顯微鍺，隨著透射電子顯微鏡的發(fā)展，掃描電鏡也得到了發(fā)展，1942年英國制成第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室用掃描電鏡，在透射電線和電子探針技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，掃描電鏡的分辨本領(lǐng)得到進(jìn)一步提高。到近幾年已經(jīng)開始生產(chǎn)作為商品的掃描電鏡。十九世紀(jì)九十年代以來，人們也開始使用電腦控制電子顯微鏡的成像，這使得電子顯微鏡的使用更加簡單。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子顯微鏡的作用也會(huì)顯得愈加重要。 二、電子顯微鏡的原理 電子顯微鏡是根據(jù)電子光學(xué)原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學(xué)透鏡，使物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)在非常高的放大倍數(shù)下成像的儀器。在光學(xué)顯微鏡下，無法看清小于0.2um的細(xì)微結(jié)構(gòu)。要想看清這些結(jié)構(gòu)，就必須選擇波長更短的光源，以提高顯微鏡的分辨率。根據(jù)德布羅意波公式[1] λ=h/m0v 我們可以知道，因?yàn)閔值很小，所以，當(dāng)電子速度很大時(shí)，就可以獲得較明顯的極短波。它的波長遠(yuǎn)小于可見光波，因此，電子顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率都遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡。例如，現(xiàn)在電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍，而光學(xué)顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍。 三、電子顯微鏡的應(yīng)用 電子顯微鏡按結(jié)構(gòu)和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡和發(fā)射式電子顯微鏡等。在這里，我將主要介紹透射式電子顯微鏡和掃描式電子顯微鏡。 1.透射式電子顯微鏡 透射式電子顯微鏡（TEM）是觀察和分析材料的形貌、組織和結(jié)構(gòu)的有效工具。透射電子顯微鏡因用聚焦電子束做透射式照明源，使電子束穿透樣品后，再用電子顯微鏡成像放大而得名。它的光路與光學(xué)顯微鏡相仿，電子要穿過顯微鏡，需要樣本非常薄，在樣本較薄或密度較低的部分，電子束散射較少，通過物鏡光欄的電子較多，在圖像中顯得較亮。相反，樣品中較厚或密度較大的部分，在圖像中則顯得較暗。如果樣品太厚或太密，則像的對(duì)比度就會(huì)惡化，甚至吸收電子束的能量而被損傷或破壞。 利用透射式電子顯微鏡，我們可觀察到鋼中的典型組織、化學(xué)熱處理滲透組織以及大型零件組織的復(fù)型觀察。除此之外，萃取復(fù)型的應(yīng)用、選區(qū)電子衍射花樣的標(biāo)定等，都需要用到它。由此可見，透射式電子顯微鏡的作用是十分巨大的。 2.掃描式電子顯微鏡 掃描式電子顯微鏡（SEM）是以電子束作為照明源，把聚焦的很細(xì)的電子束以光柵狀掃描方式照射到試樣上，產(chǎn)生各種同式樣性質(zhì)有關(guān)的信息，然后加以搜集和處理，從而獲得微觀形貌放大的一種顯微鏡。掃描電子顯微鏡的成像來自電子與物質(zhì)的相互作用，因此，后者也就成為掃描電子顯微鏡在各方面應(yīng)用的基礎(chǔ)[3]。 同其他方式的顯微鏡相比，掃描電子顯微鏡有以下這些特點(diǎn)：能直接觀察大尺寸試樣的原始表面；試樣在樣品室中可動(dòng)的自由度非常大；焦距景深大，圖像立體感很強(qiáng)；放大倍數(shù)的可變范圍很寬，且不用經(jīng)常對(duì)焦等[3][4]。 總之，電子顯微鏡的應(yīng)用范圍是十分廣泛的，其在醫(yī)學(xué)、自然科學(xué)、材料科學(xué)等許多領(lǐng)域都有十分巨大的作用，同時(shí)也對(duì)推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展也起到了不可估量的作用。當(dāng)然，任何事物都具有雙面性，例如，電子顯微鏡由于其價(jià)格的昂貴而不能得到普及。此外，在使用電子顯微鏡時(shí)，必須在真空中，因此樣本不能是活物。針對(duì)這些問題，許多科學(xué)家已經(jīng)展開了深入的研究，相信在不久的將來，電子顯微鏡將翻開它嶄新的一頁。 參考文獻(xiàn) [1] 《大學(xué)物理 下冊（第二版）》，芶秉聰 胡海云 主編 ，北京：國防工業(yè)出版社，2012.1重印 [2] 《電子顯微鏡的原理和應(yīng)用》，劉維 《現(xiàn)代儀器使用與維修》 1996年01期 [3] 《掃描電鏡原理及應(yīng)用技術(shù)》，廖乾初、藍(lán)芬蘭，冶金工業(yè)出版社，1990.7 [4] 《掃描電鏡入門》，馬金鑫、朱國凱，科學(xué)出版社，1985.5