材料表征与分析技术复习整理

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1、第一部分原子物理简介1、原子态符号、 L-S 耦合、 j-j 耦合原子的原子态常用 2s+1Lj 2Lj 表示。因电子自旋量子数 s1/2，所以 2s+1=2 表示原子态，总角量子数 j=l+s,l+s-1,l- s； s=1/2为什么 S 态不分裂， P、 D、 F 等态分裂为两层？（仅为个人理解）对于 S 态，总角量子数j 只能取一个1/2;而对于 P、D、F 等态 j 可分别取3/2,1/2;5/2,3/2;7/2,5/2 。所以 S 态不分裂，而P、 D、 F 等态分裂为两层L-S 耦合： ( s s )(l l)=(SL)1 21 2由于 S 有两个值： 0 和 1，所以对应于每一个

2、不为零的L 值， J 值有两组：一组是当 S=0 时， J=L；另一组是当 S=1 时， J=L+1 ，L ， L-1。求 3p4p 电子组态的原子态s1=1/2,s2=1/2,S=1,0;l1=1,l 2=1,L=2,1,0;所以原子态为S=0S=1L=0(1S0)(3S1)11P1P332,1,02(12D3,2,1D )洪特定则每个原子态对应一定的能级。由多电子组态形成的原子态对应的能级结构顺序有两条规律可循： 1. 从同一电子组态形成的诸能级中，（1）那重数最高的，亦即S 值最大的能级位置最低；（2）从同一电子组态形成的，具有相同S 值的能级中那些具有最大L 值的位置最低。2. 对于同

3、科电子，即同 nl，不同 J 值的诸能级顺序是：（1）当同科 电子数闭合壳层电子占有数一半时，以最小J 值（ |LS|）的能级为最低，称正常序。（2）同科电子数 闭层占有数之一半时，以最大 J（ L+S）的能级为最低，称倒转序。铍 4Be 基态电子组态：1s22形成102sS激发态电子组态：2s3p 形成1P1 ， 3P2， 1， 0 （会画能级图）求一个 P 电子和一个 d 电子（ n1p n2d) 可能形成的原子态j-j 耦合： (s l)(s l) =（ jj）1 12 212例题 :电子组态 nsnp，在 j-j 耦合情况下，求可能的原子态。解：两个电子系统电子组态为nsnp： s1=

4、1/2, l 1=0；s2=1/2,l2=1 所以 j 1=1/2,j 2=1/2,3/2 。1j2= 1/2,3/2j1=1/2(1/2,1/2)1,0,(1/2,3/2)2,1与 L-S 耦合的原子态 1P1 ,3P2，1 ，0 对比 ，两种耦合态的J 值同，状态的数目相同。 可见原子态的数目完全由电子组态决定。同一电子组态在j-j 耦合和在 L-S 耦合中形成的原子组态的数目是相同的,而且代表原子态的J 值也是相同的 ,所不同的是能级间隔 ,这反映几个相互作用强弱对比不同。j-j 耦合一般出现在高激发态和较重的原子中。泡利不相容原理 ：原子中每个状态只能容纳一个电子，换言之原子中不可能有

5、两个以上的电子占据四个量子数(n,l,ml,ms)相同的态。原子中各电子在n l 壳层的排布称 电子组态 。如：双电子的氦的基态电子组态是1s1s。nl 相同的电子组态称 同科电子组态原子基态 指原子能级最低的状态。 从基态电子组态确定的原子态中，按照洪德定则， 找出能级最低的状态。就是原子的基态。例 23V 钒的基态电子组态 1s22s22p63s23p64s23d3md=-2 -1012ml=3， ms=3/2,M j =3/2 ；令 L=3，S=3/2,J=3/2,所以基态为 4F3/2例 26Fe 的基态电子组态1s22s22p63s23p64s23dmd= -2 -1012m=2，

6、m=2,M =4；令 L=2， S=2,J=4,5所以，基态为 Dlsj4（1）简要解释下列概念：泡利不相容原理、洪特定则.（2） L-S 耦合的某原子的激发态电子组态是2p3p，可能形成哪些原子态？若相应的能级顺序符合一般规律，应如何排列？（3）理论说明氦原子1s2p 组态内 1P 和 3P 项能量差的物理成因。汞原子有两个价电子,基态电子组态为 6s6s 若其中一个电子被激发到7s 态（中间有6p 态）由此形成的激发态向低能级跃迁时有多少种可能的光谱跃迁？画出能级跃迁图。单电子原子总磁矩（有效磁矩）rerjgJ 2mPj朗德因子j(j1) l(l1 ) s(s1)3 s(s1)l (l 1

7、)g12 j(j1 )g2 j ( j1)2当 s=0， l 0 时， g=gl =1；当 l=0 ，g 0 时， g=gs=2多电子原子的磁矩（1） L-S 耦合3S(S 1)L(L 1)J(J 1) L(L1) S(S 1)g2J (J1)g 11)22J(J2rgergJ(J 1)JPB磁矩j2mj即由同一能级分裂出来的诸磁能级的间隔都相等 ,但从不同的能级分裂出来的磁能级的间隔彼此不一定相等，因为 g 因子不同。1、利用LS 耦合、泡利原理和洪特定则来确定碳 Z=6 、氮 Z=7 的原子基态。（ 1）写出碳原子和氮原子基态时的电子排布式。（ 2）写出碳原子和氮原子的基态原子态符号。（

8、3）计算氮原子基态时的磁矩。2、碳原子的基态组态是1s22s22p2，激发态组态是1s22s22p13p1，假设遵循L-S 耦合，写出两个电子组态形成的可能的光谱项（原子态）；按洪特定则决定能级次序，在同一图内画出能级草图第二部分、 X 射线衍射布拉格方程2dsin =n2立方晶系sin24a2 H2K2L2正方晶系sin22H 2K 2L24a2c2斜方晶系sin22H 2K 2L24a2b2c2Abnij结构因子FHKLAef j eF 2 hklj122f j cos2hxjky jlz jf j sin 2 hxj kyj lz j? 系统消光有点阵消光与结构消光两类。? 点阵消光取决

9、于晶胞中原子 (阵点 )位置而导致的 F 2=0 的现象。? 实际晶体中，位于阵点上的结构基元若非由一个原子组成，则结构基元内各原子散射波间相互干涉也可能产生 F 2=0 的现象，此种在点阵消光的基础上，因结构基元内原子位置不同而进一步产生的附加消光现象，称为结构消光。第三部分、X 射线光电子能谱、俄歇电子能谱、紫外光电子能谱在光电子的发射过程中，光电子在穿越固体向真空发射过程中，要经历一系列弹性和非弹性碰撞，因而只有表面下一个很短的距离内的光电子才能逃逸出样品表面，从而发射出光电子。一般可穿透10nm 厚的固体。光电子的非弹性散射平均自由程 是指光电子两次发生非弹性碰撞所经历的平均路程,当固

10、体表面下深度z=3时，光电子强度还剩下不到初始光电子强度的5，因此实际采样深度合理的近似值为3，也被定义为电子能谱的信息深度 。由于原子所处的化学环境不同而引起的内层电子结合能的变化，在谱图上表现为谱峰的位移，这一现象称为化学位移 。3原子所处化学环境不同有两个含义：1、它相结合的元素种类和数量不同，2、原子具有不同的价态。化学位移现象起因及规律内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用而具有一定的结合能，另一方面又受到外层电子的屏蔽作用。当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之则结合能将减少。 因此当被测原子的氧化价态增加，或与电负性大的原子结合时， 都导致其 XPS峰将

11、向结合能的增加方向位移。多重分裂当原子的价壳层有未成对的自旋电子时，光致电离所形成的内层空位将与之发生耦合，使体系出现不止一个终态，表现在XPS 谱图上即为谱线分裂在 XPS 谱图上，通常能够明显出现的是自旋-轨道偶合能级分裂谱线。 这类分裂谱线主要有：p 轨道的 p3/2 p1/2，d 轨道的 d3/2 d5/2 和 f 轨道的 f5/2f7/2，其能量分裂距离依元素不同而不同。但是并不是所有元素都有明显的自旋-轨道偶合分裂谱，而且裂分的能量间距还因化学状态而异。俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束或X 射线使原子内层能级电子电离，外层电子产生无辐射俄歇跃迁，发射俄歇电子，用电子能谱仪在真空

12、中对它们进行探测。为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析方法且空间分辨率高？大多数元素在 501000eV能量范围内都有产额较高的俄歇电子，它们的有效激发体积（空间分辨率）取决于入射电子束的束斑直径和俄歇电子的发射深度。能够保持特征能量（没有能量损失）而逸出表面的俄歇电子，发射深度仅限于表面以下大约2nm 以内， 约相当于表面几个原子层，且发射 （逸出） 深度与俄歇电子的能量以及样品材料有关。在这样浅的表层内逸出俄歇电子时，入射X 射线或电子束的侧向扩展几乎尚未开始，故其空间分辨率直接由入射电子束的直径决定。能量为 hv 的入射光子从分子中激发出一个电子以后，留下一个离子，这个离子可以振动、转

13、动或其它激发态存在。如果激发出的光电子的动能为Ek ，则 :E k = hE BE r EvE t其中 E v 为振动能 ,Er 为转动能， Et 为平动能。 Ev 的能量大约是 0.1eV ， Er的能量更小，大约是 0.001eV ，因此 E v 和 Er 比 EB 小得多。但是用目前已有的高分辨紫外光电子谱仪(分辨能力约 10-25 毫电子伏 )，容易观察到振动精细结构。紫外光电子能谱测量与分子轨道能紧密相关的实验参数 电离电位原子或分子的第一电离电位通常定义为从最高的填满轨道能级激发出一个电子所需的最小能量第二电离电位定义为从次高的已填满的中性分子的轨道能级激发电一个电子所需的能量目前

14、在各种电子能谱法中，只有紫外光电子能谱才是研究振动结构的有效手段。紫外光电子能谱主要涉及分子的价层电子能级，成键轨道上的电子往往属于整个分子，它们的谱峰很宽，在实验上测量化学位移很困难。但是， 对于非键或弱键轨道中电离出来的电子，它们的谱峰很窄， 其位置常常与元素的化学环境有关，这是由于分子轨道在该元素周围被局部定域。紫外光电子能谱的特征1. 谱带的形状往往反映了分子轨道的键合性质2. 谱图中大致有六种典型的谱带形状，如光电子来自非键或弱键轨道，分子离子的核间距离与中性分子的几乎相同，绝热电离电位和垂直电离电位一致，这时谱图上出现一个尖锐的对称的峰。在峰的低动能端还会存在一个或两个小峰。它们对

15、应于v 1， v=2 等可能的跃迁，见图的 I。4若光电子从成键或反键轨道发射出来，绝热电离电位和垂直电离电位不一致，垂直电离电位具有最大的跃迁几率，因此谱带中相应的峰最强，其它的峰较弱，见图的II 和 III。从非常强的成键或反键轨道发生的电离作用往往呈现缺乏精细结构的宽谱带，见图中 IV 。缺乏精细结构的原因是振动峰的能量间距过小；有时振动精细结构叠加在离子离解造成的连续谱上，形成图中的谱带V 。若分子被电离以后生成的离子的振动类型不止一种，谱带呈现一种复杂的组合带，见谱带 VI。第四部分紫外可见光光谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振波谱分子吸收光谱跃迁类型紫外可见光可分为 3 个区域 :远

16、紫外区 10 - 190nm; 紫外区 190 - 400nm; 可见区 400 - 800nm; 紫外光谱和红外光谱统称分子光谱。两者都是属于吸收光谱。有机分子能级跃迁1. 可能的跃迁类型有机分子包括: 成键轨道、；反键轨道* 、 *；非键轨道n各轨道能级高低顺序：n* ；可能的跃迁类型：- * ；- * ； n-* ；n-*A 跃迁：所需能量最大；电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁；饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区；吸收波长200 nm ；B n * 跃迁：含 非键电子 (n 电子 )的饱和烃衍生物(含 N 、O、S 和卤素等杂原子) ，它们除了有* 跃迁外，还有n *跃迁。跃迁能

17、量较低，一般在200nm 左右。原子半径较大的硫或碘的衍生物n 电子的能级较高，n * 吸收光谱的 max 在近紫外区220-250nm 附近。原子半径较小的氧或氯衍生物， n 电子能级较低， 吸收光谱 max 在远紫外区 170-180nm 附近。C * 跃迁 : 含孤立双键的* 跃迁的吸 收谱带，一般200nm 。 * 的都在 104 以上。D n * 跃迁 :双键中含杂原子(O、 N、 S 等 ) ，则杂原子的非键电子有n *跃迁，如C=O 、C=S、N=O 等基团都可能发生这类跃迁。 n 轨道的能级最高，所以 n * 跃迁的吸收谱带波长最长。E 电荷转移跃迁: 当分子形成络合物或分子内

18、的两大体系相互接近时，可以发生电荷由一个部分跃迁到另一部分而产生电荷转移吸收光谱，这种跃迁的一般表达式为：D+A h D + A-D+ 、 A -为络合物或一个分子中的两个体系，D 是给电子体，A 是受电子体。5F配位体场微扰的d d* 跃迁：过渡元素的d 或 f 轨道为简并轨道(Degeneration orbit) ，当与配位体配合时，轨道简并解除，d 或 f 轨道发生能级分裂，如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的d 或 f 轨道，从而产生吸收光谱。常用光谱术语及谱带分类A 生色基也称发色基（团）：是指分子中某一基团或体系，由于存在能使分子产生吸收而出现谱

19、带，这一基团或体系即为生色基。最有用的紫外-可见光谱是由和n 跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、乙炔基、亚硝基、偶氮基 NN等B助色基 (团 )：有一些含有n 电子的基团 (如 -OH 、 -OR 、 -NH 等 )，它们本身没有生色功能 (不能吸收 200nm 的光 )，但当它们与生色团相连时，就会发生n 共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。C红移与蓝移：有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长max 和吸收

20、强度发生变化: max 向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移 )。吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应。谱带分类 :（ 1） R 带 : (Radikalartin德文 : 基团型的 ),为 n * 跃迁引起的吸收带，产生该吸收带的发色团如 -C=O ，-NO2 ，-CHO 等。该带的特征是强度弱，100 吸收峰一般在270nm 以上 :(2) K 带 :(Konjugierte 德文， 共轭的 )，由 * 跃迁 引起的吸收带， 产生该吸收带的发色团是分子中 共轭系统 。该带的特点是吸收峰强度很强， 10000,孤立双键的 * 跃迁一般在 200

21、nm ，共轭双键增加时，不但发生红移，而且强度也加强。( ) B 带 (Benzenoid band ，苯型谱带 ),它是芳香族化合物的特征吸收带。是苯环振动及 * 重叠引起的 。在 230 270nm 之间出现精细结构吸收，又称苯的多重吸收。( )E 带 (Ethylenic band ，乙烯型谱带 ),它也是 芳香族化合物的特征吸收之一。 E 带可分为E 及 E 两个吸收带，二者可以分别看成是苯环中的乙烯键 和共轭乙烯键 所引起的，也属 * 跃迁 。 E1 带的吸收峰在184nm 左右，吸收特别强，max 104，是由苯环内乙烯键上的 电子被激发所致。 E2带在 203nm处，中等强度吸收

22、（ max =7400）是由苯环的共轭二烯所引起。当苯环上有发色基团取代并和苯环共轭时，E 带和 B 带均发生红移，E2 带又称为 K 带。紫外光谱谱带有： B 带 值约 250 3000;E 带 值约 2000 10000;K 带 值约10000 (或大于 10000);R 带 值 200nm 处有吸收。、烯类化合物（ 1）单烯烃 :有 *和 - * 跃迁， - * 跃迁虽然强度很大，但落在真空紫外区，仍然看不见。当烯烃双键上引入助色基团时， * 吸收将发生红移，甚至移到紫外光区。原因是助色基团中的n 电子可以产生n- 共轭，使 * 跃迁能量降低。（2）共轭双键体系 : 有多个双键组成共轭双

23、键体系，随着共轭体系的延伸，吸收强度也随着增加，颜色逐渐变深，吸收光谱发生较大幅度的红移。3. 羰基化合物：在羰基化合物含有C=O 基团，有电子、电子和非键n 电子。因此存在着四种跃迁： * 、 * 、n * 、n * 。前三种跃迁， max200, 一般观察不到。弧立羰基化合物的 n * 跃迁，其吸收谱带出现在 270300nm 附近，一般呈低强度吸收 ( = 1020)6的宽谱带，称之为R 带。在酸、酯等化合物中，羰基与杂原子上的未成键电子共轭，使n轨道能量降低，而* 轨道能量升高，使n *跃迁能量增大，与酮相比谱带n * 蓝移。4. 芳香族化合物： 芳香族化合物在近紫外区显示特征的吸收光

24、谱，吸收带为： 184nm（ 68000）， 203.5nm （ 8800）和 254nm （ 250）。分别对应于E1 带，E2 带和 B 带。B 带吸收带由系列细小峰组成，中心在254.5nm ，是苯最重要的吸收带，又称苯型带。产生红外吸收的分子称为红外活性分子，如CO2 分子；反之为非红外活性分子，如O2分子。由 n 个原子组成的分子有3n-6 个 (线性分子为3n-5) 振动模式 ,即有 3n-6 个吸收带。C=O 的伸缩振动一般在1700 cm-1 左右，烷基 C-H 伸缩振动在 2700-3000 cm -1 。羟基：吸收在 3200-3650cm -1 范围。胺基：游离胺基的红外

25、吸收在3300-3500cm-1 范围，缔合后吸收位置降低约 100cm-1。叁键的伸缩振动区2500-2000cm-1 。双键的伸缩振动2000-1500cm -1在 3200-3600 cm-1存在吸收峰，宽而钝的峰常是-OH ，而尖峰可能是氨基。不饱和度计算： u=1+n4+1/2(n 3-n1),n4、n3、 n1 分别表示分子式中化合价为4、3、1 的元素的原子个数拉曼光谱的原理: 当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作用时，大部分光子仅是改变了方向，发生散射，而光的频率仍与激发光源一致，这种散射称为瑞利散射。但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向，而且也改变了光波的频

26、率，这种散射称为拉曼散射。其散射光的强度约占总散射光强度的 10-6 10-10。拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，改变了光子的能量。斯托克斯线 , 反斯托克斯线 :设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（ Virtual state ），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。 在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯

27、托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。7拉曼位移 :瑞利线与拉曼线的波数差称为拉曼位移拉曼活性 ：在拉曼光谱中，分子振动的产生要服从一定的选择定则，即必须伴随着分子极化度发生变化的分子振动模式才能具有拉曼活性，产生拉曼散射。极化度是指分子改变其电子云分布的难易程度， 因此只有分子极化度发生变化的振动才能与入射光的电场 E 相互作用，产生诱导偶极矩。拉曼原理 -LRS 与 IR 比较： 1 拉曼光谱是分子对激发光的散射，而红外光谱则是分子对红外光的吸收，但两者均是研究分子振动的重要手段，同属分子光谱。 2 分子的非对称性振动和极性基团的振动，都会引起分子偶极距的变化，因而这类振

28、动是红外活性的；而分子对称性振动和非极性基团振动，会使分子变形，极化率随之变化，具有拉曼活性。3 拉曼光谱适合同原子的非极性键的振动。如C-C ，S-S，N-N 键等，对称性骨架振动，均可从拉曼光谱中获得丰富的信息。而不同原子的极性键，如C=O ，C-H ， N-H 和 O-H 等，在红外光谱上有反映。相反，分子对称骨架振动在红外光谱上几乎看不到。拉曼光谱和红外光谱是相互补充的。核磁共振基本原理： 氢原子核的自旋会沿着它的自转轴产生一个微小的磁场，它本身就好象一个小磁铁。原子核由激发态回复到oltzmann 平衡的过程称为驰豫 。1、 自旋 -晶格驰豫：自旋核与周围的粒子（固体的晶格，液体中的

29、分子或溶剂分子）交换能量，也称纵向驰豫。2、自旋 -自旋驰豫：自旋核与自旋核交换能量，称横向驰豫。在外磁场作用下，运动着的电子产生一个与外磁场方向相反的感应磁场，抵消了部分外磁场的作用，使核受到的外磁场作用减小，起到屏蔽作用。化学位移： 在化合物中，氢核受核外电子的屏蔽作用，使其共振频率发生变化，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移（ ）。且：不同的氢核，所处的化学环境不同，化学位移的值也不相同。化学位移的表示方法1位移的标准没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。相对标准：四甲基硅烷Si(CH 3)4 （ TMS ）（内标）位移常数TMS=02 为什么用TMS 作为基准 ?(1) 12

30、个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；（ 2）屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭；（ 3）化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。与裸露的氢核相比，TMS 的化学位移最大，但规定TMS=0 ，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧；8凡影响电子云密度的因素都将影响化学位移。1、诱导效应 (induction effect)1）与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，质子周围的电子云密度越小，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。2）诱导效应是通过成键电子沿键轴方向传递的，

31、氢核与取代基的距离越大，诱导效应越弱。2、共轭效应 (conjugative effect)共轭体系中如果氢被推电子基（如CH3O ）取代，由于p 共轭，使共轭体系的电子云密度增大，值向高场位移；如果被吸电子基团（如C=O 、NO2 ）取代，由于 共轭，使共轭体系的电子云密度降低，值向低场位移。、自旋核与自旋核之间的相互作用称自旋偶合。、自旋偶合的结果：吸收峰发生裂分 自旋裂分谱图中化合物的结构信息、峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，多少种；、峰的强度(面积 )：每类质子的数目(相对 )， 多少个；、峰的位移()：每类质子所处的化学环境，化合物中位置；、峰的裂分数：相邻碳原子上质子数；、

32、偶合常数(J)： 确定化合物构型 。第五部分组织形貌分析扫描电子显微镜的工作原理由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。出于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背散射电子、吸收电子、 X 射线、俄歇电子、阴极发光和透射电于等。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏

33、上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频传号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。扫描电子显微镜的结构： 扫描电子显微镜由电子光学系统、信号收集及显示系统、真空系统及电源系统组成。表面形貌衬度原理及其应用表面形貌衬度是由于试样表面形貌差别而形成的衬度。利用对试样表面形貌变化敏感的物理信号作为显像管的调制信号，可以得到形貌衬度图像。形貌衬度的形成是由于某些信号，如二次电子、背散射电子等，其强度是试样表面倾角的函数，而试样表面微区形貌差别实际上就是各微区表面相对于入射电子束的倾角不同，因此电子束在试样上扫描时

34、任何两点的形貌差别，表现为信号强度的差别，从而在图像中形成显示形貌的衬度。二次电子像的衬度是最典型的形貌衬度。表面形貌衬度的应用基于二次电子像（表面形貌衬度）的分辨率比较高且不易形成阴影等诸多优点，使其成为扫描电镜应用最广的一种方式，尤其在失效工件的断口检测、磨损表面观察以及各种材料形貌特征观察上，已成为目前最方便、最有效的手段。原子序数衬度原理及其应用9原子序数衬度是由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度。利用对试样表面原子序数（或化学成分）变化敏感的物理信号作为显像管的调制信号，可以得到原子序数衬度图像。背散射电子像、吸收电子像的衬度都含有原子序数衬度，而特征 X 射线像的

35、衬度就是原子序数衬度。扫描隧道显微镜（STM ）的基本原理利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm ），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。这种现象即是隧道效应。隧道电流I 与针尖和样品之间距离 S 和平均功函数 有关： I V b exp(-A 1/2S)扫描探针一般采用直径小于1mm 的细金属丝，如钨丝、铂铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。原子力显微镜 /AFM 的基本原理将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖

36、尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。磁力显微镜（ MFM ）的基本原理磁力显微技术（MFM ）可对样品表面磁力的空间变化成像。MFM的针尖上镀有铁磁性薄膜，系统工作在非接触模式，由随针 样间隙变化的磁场引起的悬臂共振频率的变化来检测。用磁力针尖获得的图像都包含着表面形貌和磁特性与范德瓦尔斯力相比，原子间磁力在较大的间隙时仍保留一定量值。在不同的针尖高度下采集一系列图

37、像是剥离两种效应的一种途径。如果针尖靠近表面，即处在标准的非接触模式工作区间，则图像主要含形貌信息。随着间隙增大，磁力效应变得显著。电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。球差是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。球差是像差影响电磁透镜分辨率的主要因素，它还不能象光学透镜那样通过凸透镜、凹透镜的组合设计来补偿或矫正。原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为 rS 的漫散圆斑。像散是由电磁透镜的周向磁场不对称，导致电磁透镜径向的会聚能力不一样，从而使像点发散的现象称为像散。当磁性材料的材质不均以及周围的局部污染等都会引起透镜的磁场产生椭圆度。像散是可以

38、消除的像差，可以通过引入一个强度和方位可调的矫正磁场来进行补偿。产生这个矫正磁场的装置叫消像散器。色差是由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。引起电子能量波动的原因有两个，一是电子加速电压不稳，致使入射电子能量不同；二是电子束照射试样时和试样相互作用，部分电子产生非弹性散射，致使能量变化。通常透射电镜由电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系统和控制系统组成，其中电子光学系统是电镜的主要组成部分。10电磁透镜的分辨率受两个因素控制：衍射效应和像差（主要是球差）。孔径半角对两个因素的影响作用相反。成像系统中的物镜是显微镜的核心，它的分辨率就是显微镜的分辨率。成像系统可以实现两种成像操作：一种是将物镜的像放大成像，即试样形貌观察；另一种是将物镜背焦面的衍射花样放大成像，即电子衍射分析。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。可见光的最短波长是390nm ，也就是说光学显微镜的最高分辨率是200nm一般地人眼的分辨本领是大约0.2mm ，光学显微镜的最大分辨率大约是0.2m。把 0.2 m放大到 0.2mm 让人眼能分辨的放大倍数是 1000 倍。这个放大倍数称之为有效放大倍数。 光学显微镜的分辨率在 0.2 m 时，其有效放大倍数是 1000 倍。11