第六章电子光学基础优秀PPT.ppt
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1、第六章第六章 电子光学基子光学基础第一页,本课件共有34页Company Logov光学显微镜光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具。随着科学技术的发展,光学显微镜因要的工具。随着科学技术的发展,光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求。上世纪求。上世纪3030年代后,年代后,电子显微镜电子显微镜的发明将分辨的发明将分辨本领提高到纳米量级,同时也将显微镜的功能由本领提高到纳米量级,同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、形貌观察、晶体结构、成分分析
2、成分分析等于一体。人类认识微观世界的能力从等于一体。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。此有了长足的发展。第二页,本课件共有34页Company Logo主要内容主要内容光的折射和光学透镜成像光的折射和光学透镜成像1光的衍射与光的衍射与光学显微镜分辨本领理论极限光学显微镜分辨本领理论极限光学显微镜分辨本领理论极限光学显微镜分辨本领理论极限2电子波长电子波长3电磁透镜电磁透镜4电磁透镜的像差及其对分辨率的影响电磁透镜的像差及其对分辨率的影响5景深和焦长景深和焦长6第三页,本课件共有34页Company Logo6-1 6-1 光的折射和光学透镜成像光的折射和光学透镜成像 光的折射:光的折射
3、:光在均匀介质光在均匀介质中直线传播,当从一介质中直线传播,当从一介质传播到另一介质时,因光传播到另一介质时,因光的传播速度随介质而变,的传播速度随介质而变,故光的传播方向在两介质故光的传播方向在两介质的分界面发生突变。光在的分界面发生突变。光在不同介质中其频率是恒定不同介质中其频率是恒定不变的。不变的。第四页,本课件共有34页Company Logo光学透镜成像:光的折射是可见光学透镜成像:光的折射是可见光聚焦成像的基础。光聚焦成像的基础。薄透镜的性质:薄透镜的性质:v通过透镜中心通过透镜中心C C的光线不发生折的光线不发生折射。射。v一束平行于主光轴的光通过透一束平行于主光轴的光通过透镜后
4、会聚于透镜另一侧的主光镜后会聚于透镜另一侧的主光轴上的某一点称焦点轴上的某一点称焦点F F。v前焦点处的光散射经透镜后变前焦点处的光散射经透镜后变成一束平行于主光轴的平行光。成一束平行于主光轴的平行光。第五页,本课件共有34页Company Logo 透镜成像:透镜成像:遵循关系式:遵循关系式:放大倍数放大倍数第六页,本课件共有34页Company Logo6-2 6-2 光的衍射与光的衍射与光学显微镜分辨本领理论极限光学显微镜分辨本领理论极限 光的衍射光的衍射:光是电磁波,具有波动性,使由透镜各部分折射:光是电磁波,具有波动性,使由透镜各部分折射到像平面上的像点与周围区域的光波相互间产生衍射
5、现象。到像平面上的像点与周围区域的光波相互间产生衍射现象。一个理想的点光源通过透镜成像时,因衍射效应,不能得到一一个理想的点光源通过透镜成像时,因衍射效应,不能得到一个理想的像点,而是形成一个具有一定尺寸的中央亮斑和周围明个理想的像点,而是形成一个具有一定尺寸的中央亮斑和周围明暗相间的圆环,称埃利斑。暗相间的圆环,称埃利斑。第七页,本课件共有34页Company Logov测量结果表明测量结果表明AiryAiry斑的强度大约斑的强度大约84%84%集中在中心亮斑上,其余集中在中心亮斑上,其余分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低,一般肉分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低,一般肉
6、眼不易分辨,只能看到中心亮斑。眼不易分辨,只能看到中心亮斑。v因此通常以因此通常以AiryAiry斑的第一暗环的半径来衡量其大小。根据衍斑的第一暗环的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导,点光源通过透镜产生的射理论推导,点光源通过透镜产生的AiryAiry斑半径斑半径R R0 0的表达式的表达式为:为:(6-16-1)第八页,本课件共有34页Company Logo 由于光的衍射,使得由物平面内的点由于光的衍射,使得由物平面内的点O O1 1、O O2 2 在象平面形成一在象平面形成一B B1 1、B B2 2圆斑(圆斑(AiryAiry斑)。若斑)。若O O1 1、O O2 2靠得太近,过分重
7、叠,图象就靠得太近,过分重叠,图象就模糊不清。模糊不清。图(图(a a)点)点O O1 1、O O2 2 形成两个形成两个AiryAiry斑;斑;图(图(b b)是强度分布。)是强度分布。L LB2B1Md强度强度O O1 1O O2 2d dD D(a)(b)第九页,本课件共有34页Company Logo第十页,本课件共有34页Company Logo图(图(a a)两个)两个AiryAiry斑斑明显可分辨出。明显可分辨出。图(图(b b)两个)两个AiryAiry斑斑刚好可分辨出。刚好可分辨出。图(图(c c)两个)两个AiryAiry斑分辨不出。斑分辨不出。I I0.81I0.81I第
8、十一页,本课件共有34页Company Logo透镜分辨率透镜分辨率v当两斑的间距等于当两斑的间距等于R R0 0时,在像上这两个斑是可以区分的,能时,在像上这两个斑是可以区分的,能分辨像上的两斑也即能分清物上对应的物平面上两物点。分辨像上的两斑也即能分清物上对应的物平面上两物点。此时,此时,两物点间距(两物点间距(rr0 0)定义为透镜能分辨的最小间距,)定义为透镜能分辨的最小间距,即透镜分辨率(也称分辨本领)即透镜分辨率(也称分辨本领)。由式。由式6-16-1得:得:v即即 (6-26-2)第十二页,本课件共有34页Company Logo讨论:讨论:第十三页,本课件共有34页Compan
9、y Logo如何提高显微镜的分辨率如何提高显微镜的分辨率v根据式根据式 要想提高显微镜的分辨率,关键是降低照明要想提高显微镜的分辨率,关键是降低照明光源的波长。顺着电磁波谱朝短波长方向寻找,光源的波长。顺着电磁波谱朝短波长方向寻找,v紫外光的波长在紫外光的波长在13-390nm13-390nm之间,比可见光短多了。但是大之间,比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光,因此紫外光难以作为照明多数物质都强烈地吸收紫外光,因此紫外光难以作为照明光源。光源。v更短的波长是更短的波长是X X射线。但是,迄今为止还没有找到能使射线。但是,迄今为止还没有找到能使X X射射线改变方向、发生折射和聚焦成
10、象的物质,也就是说还没线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质,也就是说还没有有X X射线的透镜存在。因此射线的透镜存在。因此X X射线也不能作为显微镜的照明射线也不能作为显微镜的照明光源。光源。v除了电磁波谱外,在物质波中,电子波不仅具有短波长,除了电磁波谱外,在物质波中,电子波不仅具有短波长,而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源,由此形成电子显微镜。照明光源,由此形成电子显微镜。射线射线 X 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波第十四页,本课件共有34页Company Logo有效放大倍数有
11、效放大倍数v ,光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。,光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波长是长是390nm390nm,也就是说光学显微镜的最高分辨率是,也就是说光学显微镜的最高分辨率是200nm200nm。v一般地人眼的分辨本领是大约一般地人眼的分辨本领是大约0.2mm0.2mm,光学显微镜的最大,光学显微镜的最大分辨率大约是分辨率大约是0.2m0.2m。把。把0.2m0.2m放大到放大到0.2mm0.2mm让人眼能分让人眼能分辨的放大倍数是辨的放大倍数是10001000倍。这个放
12、大倍数称之为倍。这个放大倍数称之为有效放大倍有效放大倍数数。光学显微镜的分辨率在。光学显微镜的分辨率在0.2m0.2m时,其有效放大倍数是时,其有效放大倍数是10001000倍。倍。v光学显微镜的放大倍数可以做的更高,但是,高出的部分光学显微镜的放大倍数可以做的更高,但是,高出的部分对提高分辨率没有贡献,仅仅是让人眼观察更舒服而已。对提高分辨率没有贡献,仅仅是让人眼观察更舒服而已。所以光学显微镜的放大倍数一般最高在所以光学显微镜的放大倍数一般最高在1000-15001000-1500之间。之间。第十五页,本课件共有34页Company Logo 6-3 6-3 电子波长电子波长 v根据德布罗意
13、根据德布罗意(de Broglie)的观点,的观点,运动的电子除了具有粒子性外,还具有波运动的电子除了具有粒子性外,还具有波动性。这一点上和可见光相似。电子波的动性。这一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量,即波长取决于电子运动的速度和质量,即v式中,式中,h h为普郎克常数为普郎克常数;m为电子质量;为电子质量;v v为电子运动速度,它和加速电压为电子运动速度,它和加速电压U U之间存在之间存在如下关系:如下关系:即即v式中式中e e为电子所带电荷,为电子所带电荷,e=1.610-19-19C。上式整理得:上式整理得:第十六页,本课件共有34页Company Logo 不
14、同加速电压下的电子波波长不同加速电压下的电子波波长 加速电压加速电压U/KV U/KV 电子波波长电子波波长/nm /nm 加速电压加速电压U/KV U/KV 电子波波长电子波波长/nm/nm2020404060608080100 100 0.008590.008590.006010.006010.004870.004870.004180.004180.00371 0.00371 1201201601602002005005001000 1000 0.003340.003340.002850.002850.002510.002510.001420.001420.00087 0.00087 第十
15、七页,本课件共有34页Company Logo 6-4 电磁透镜电磁透镜 v电子波和光波不同,不能通过玻璃透镜会聚成像。电子波和光波不同,不能通过玻璃透镜会聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束折射,从而产生电子束的会聚与发散,达到成像折射,从而产生电子束的会聚与发散,达到成像的目的。人们把用静电场构成的透镜称之的目的。人们把用静电场构成的透镜称之“静电静电透镜透镜”;把电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称;把电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之之“电磁透镜电磁透镜”。第十八页,本课件共有34页Company Logo电子在电场中的运动电子在电场
16、中的运动一电子沿与等电位面法线成一定角度方向运一电子沿与等电位面法线成一定角度方向运动,等电位面上方电位动,等电位面上方电位U U1 1(v v1 1),下方),下方U U2 2 (v v2 2),电子由),电子由U U1 1电位区进入电位区进入U U2 2电位区瞬电位区瞬间,在交界间,在交界O O处运动方向发生突变,电子处运动方向发生突变,电子运动速度也从运动速度也从v v1 1变为变为v v2 2 。因沿电子所处点等电位面切线方向电场力分因沿电子所处点等电位面切线方向电场力分量为零,即速度的切线分量也为零。量为零,即速度的切线分量也为零。上述公式与可见光的折射公式类似,说明电上述公式与可见
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