2022年非常有用的固体物理实验方法课]_光学显微分析 .pdf

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1、第三章光学显微分析3.1 概述（1）显微镜的发展史1590 年代荷兰眼镜制造商J.Janssen和 Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过10 倍，但具有划时代的意义。1625 年，人门第一次把一个放大用的工具命名为显微镜，直到1655 年才开始用在科学上。最早应用于科学用途的显微镜是罗伯特 虎克制造的显微镜（1665）。1665 英国人 Robert Hook 用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140 倍)观察了软木（栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用拉丁文cella（小室)列文虎克和他的显微镜（约1680），列文虎克观察到“小动物”。1

2、680 荷兰人A.van Leeuwenhoek 成为皇家学会会员，一生中制作了200 多台显微镜和500多个镜头。他是第一个看到活细胞的人，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等。（2）显微镜种类的发展18 世纪单筒显微镜、18 世纪双筒显微镜、19 世纪双筒显微镜、普通光学显微镜相位差显微镜、解剖显微镜、光学显微镜。3.2 光学透镜的成像原理（1）光的折射21sinsinnriri光的折射特点：介质中光传播的速度越大，则该介质的折射率越小；光在真空中的传播速度最大。同一介质的折射率因所用光波波长而异（折射率色散）,对于同一介质，光波的波长与折射率成反比。(2)光的衍射光在

3、传播过程中，如果遇到障碍物，其传播方向会发生变化，能绕过障碍物的边缘而继续前进而发生衍射现象。瑞利判据（Reyleigh s criterion）：a b A B N I i r II 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 9 页 -如果两个物点靠近，相应的两个Airy 斑也逐渐重叠 当斑中心间距等于Airy 斑半径时,强度峰谷值相差19，人眼可以分辨。anrsin61.00对玻璃透镜，取最大孔径半角a=7075，在物方介质为油的情况下，n 1.5，则其数值孔径n sina=1.25 1.35，上式可简化为210r可见光的波长范围是390nm-760nm,(3)透镜的像

4、差像差：在成像中出现的所有缺陷和偏差。按像差产生的原因来分类单色像差（球差、像场弯曲、像散）色差S1S2I P象P透镜物P 光轴RMRrssRs 越小，透镜的分辨率越高透镜物P 光轴紫红nmr2000名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 9 页 -3.3 金相显微镜(1)工作原理目物目物fDfLMMM.物镜使物体AB 形成放大倒立的实像A1B1（称为中间像），目镜将A1B1 放大成倒立虚像A3B3。其位置正好是明视距离（约为250mm 处），在显微镜里看到的就是这个虚像A3B3。（2）显微镜的结构组成：光学放大系统（目镜、物镜），照明系统（光源、聚光片、滤光片），机械和

5、支架系统物镜(objective)根据像差的校正程度，物镜可分为下列几种a 消色差物镜（apochromatic objective）:色差校正使可见光中红光和蓝光聚焦于一点，而黄绿光则聚焦于另一点。能够消除光谱中红光和蓝光所形成的色差。这种物镜与目镜配用时可达到消色差物镜所要求的光学性能。b 复消色差物镜(apochromatic objective APO)c 萤石物镜(fluorite objective FL)d 平场物镜(planobjective)A B 物镜目镜A1 B1 B3 A3 f2 D 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 9 页 -“PL”(平场

6、消色差物镜)“PLAPO”(平场复消色差物镜)“PL FL”（平场萤石物镜）根据介质情况分a干燥系(dry system)物镜b 浸没系(immersion system)物镜油浸物镜外壳上刻有：“oil”、“imm”和“HI”等字样水浸物镜刻有“W”或“Water”字样油、水浸两用物镜则刻上“oil+w”字样甘油浸没物镜刻有Glyc 或“Glyz”等字样目镜(eyepiece，ocular)目镜可分下列几种：a惠更斯目镜(Huygeian eyepieces)b 兰姆斯登目镜(Ramsden eyepieces)c补偿目镜(compensating eyepieces)d 平场目镜(plan

7、eyepiece)“PEN PLAN”、“PLANOSCOPIC”、“PLAN”、“KPL、“GF”和GW”等。e摄影目镜(photographiceyepiece)照明光源（light source）a 钨丝灯通常，工作电压6-8 V,功率 15-100W b 卤钨灯“碘钨循环”I2-2I-WI2-W+I2 c 碳弧灯采用交流电，使相互接近的碳棒，产生强烈的电弧而发光d 氙灯石英玻璃管内装钨电极并冲入高压氙气，利用放电发光显微镜的能力a 数值孔径(numerial aperture)b 分辨率(resolving power)c 放大率(magnification)d 焦点深度(depth

8、of focus)3.4 金像试样的制备取样镶样磨光抛光显示（1）取样名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 9 页 -（2）镶样一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶样，但试样尺寸过小或形状极不规则者，如带、丝、片、管，制备试样十分困难，就必须把试样镶嵌起来。小试样的夹持方法（a）薄片试样（b）块状试样热镶嵌-镶嵌材料有热固性塑料(如电木粉)、热塑性塑料(如聚氯乙烯)。电木粉不透明，有各种颜色，比较硬，试样不易倒角，但耐腐蚀性能比较差；聚氯乙烯为半透明或透明的，耐腐蚀性能好，但较软。镶样均需用专门的镶样机加压加热成型。冷镶嵌-对温度及压力极敏感的材料(如淬火马氏体与易

9、发生塑性变形的软金属)，以及微裂纹的试样。环氧树脂、牙托粉镶嵌法对粉末金属，陶瓷多孔性试样特别适用。（3）磨光粗磨的目的是整平试样，并磨成合适的形状,通常在砂论机上进行。细磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础。试样经过切削磨光后变形层厚度变化示意图试样截取方法气割机械法线切割砂轮切割锯机床打断车床铣床 刨床名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 9 页 -（4）抛光抛光的目的是要尽快把磨光留下的细微磨痕成为光亮无痕的镜面。金相试样的抛光基本分为：机械抛光、电解抛光、化学抛光三类。（5）显示试样机械抛光后，在显微镜下，只能看到光亮的磨面及夹杂物等。要对

10、试样的组织进行显微分析，还必须让试样经过腐蚀。常用的组织的显示方法：化学侵蚀-一般针对纯金属或均匀单相合金的侵蚀。电解侵蚀-一般针对两相（或合金）的侵蚀。3.5.1 偏光显微镜偏光显微镜是用于研究所谓透明与不透明各向异性材料的一种显微镜。凡具有双折射物质，在偏光显微镜下就能分辨的清楚。（1）自然光和偏振光光波是横波，E、H、v 三者都是垂直的。可引起人的视觉的只有E 矢量，故称E 矢量为光矢量。a自然光:包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。如太阳、电灯等普通光源发出的光。b 偏振光:光波的光矢量在一个固定的平面内只沿着一个方向振动。(2)线偏振光

11、的获得cEH名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 9 页 -用偏振片获得线偏振光用双折射法获得偏振光O 光（寻常光）遵守折射定律e 光（非常光）不遵守折射定律例：尼克尔棱镜原理：把自然光分成寻常光和非寻常光，然后利用全反射把寻常光反射到棱镜侧壁上，只让非寻常光通过，从而获得一束振动方向固定的线偏振光。加工后将两块方解石用加拿大胶粘合起来，55.1n；658.1on；468.1en。对于 o 光nno，产生全反射；对于e 光nne，可以透过，则获得偏振光。用反射和折射法获得偏振光线偏振光偏振化方向Z偏振片A C B o e D 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理

12、-第 7 页，共 9 页 -布儒斯特定律12nntgb（3）偏振光的类型及鉴别a.线偏振光当起偏镜位置固定，而转动检偏镜时，每转动360o，可以出现两次强光和两次消光现象。b.椭圆偏振光当起偏镜位置固定，而转动检偏镜时，每转动360o，可以出现两次强光和两次弱光现象，不发生消光现象。c.圆偏振光当起偏镜位置固定，而转动检偏镜时，每转动360o，通过的强度都相等。3.5.2 显微镜的偏光装置(1)偏光显微镜的构造布儒斯特角线偏振光2i2nbi1n名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 9 页 -1、目镜，2、镜筒，3、勃氏镜，4、粗动手轮，5、微调手轮，6、镜臂，7、镜座，8、上偏光镜，9、试板孔，10、物镜，11、载物台，12、聚光镜，13、锁光圈，14、下偏光镜，15、反光镜(2)实际操作实验室进行考试内容：1.光学透镜的成像原理光的折射、光的衍射。2.金相试样的制备的过程取样、镶样、磨光、抛光、显示。3.透镜的像差球差、色差。4.显微镜的能力数值孔径、分辨率、放大率、焦点深度。5.实际操作。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 9 页 -