AtomLab_labwork_4-2 (829281)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

© www.phys.nsu.ruА. Т. ТитовДифракция электронов и работа с электронным микроскопомЦель работы: знакомство с принципами работы электронного микроскопа, изучение волновых икорпускулярных свойств электронов.Устройство и принципы работы электронного микроскопа.Дифракция электронов и история работ с электронным микроскопом Целесообразность создания электронного микроскопа стала очевидной после выдвижения в 1924 г.

гипотезы де Бройля1 отом, что с движением материальных частиц должен быть связан определенный волновой процесс.Технические предпосылки создания электронного микроскопа возникли в конце 20-х гг. ХХ в. послеоткрытия Бушем2 возможности и средств фокусировки заряженных частиц. Им была разработанаэлектронно-магнитная линза (1926), а первое изображение объекта, сформированное пучком электронов, получили Кнолл3 и Руска4 в 1931 г. Эта работа Э.

Руски в 1986 году была отмечена Но-белевской премией по физике. Первый промышленный ПЭМ (или transmission electronmicroscopy = TEM) разработан и выпущен фирмой «Сименс» в 1939г; этот прибор позволилдостичь разрешения 100 нм. В конце 1940-х годов такие приборы стали выпускать и другиекомпании.Условия для электронной микроскопии. Электронный микроскоп теоретически подобен оптическому микроскопу, но имеются существенные различия между электронами и светом. Свет распространяется в воздухе беспрепятственно, тогда как электроны практически никакой проникающейспособностью в воздухе не обладают и могут перемещаться на определенное расстояние только втехническом вакууме (давление порядка 10-4÷10-5 торр).

Поэтому трубка, в которой перемещаютсяэлектроны, должна быть откачана, и следовательно, электронный микроскоп соединен с соответствующей вакуумной системой. Кроме того, объект, через который проходят электроны, должен бытьочень тонким, так как в противном случае все электроны будут в нем задерживаться. В обычномэлектронном микроскопе с ускоряющим напряжением ~100 кВ толщина объекта должна составлять50÷100 нм.Длина волны электронов. По мере улучшения электронных микроскопов все большее значениеприобретают волновые свойства электронов.

Для получения высокого разрешения, лучшего, чем 1нм, при интерпретации электронных микрофотографий становится необходимым учитывать вопросыкогерентности, аберраций линз и дифракции. Все эти свойства – волновые, и для описания присутствия их в процессе формирования изображения требуется учесть интерференционные эффекты. Длинаволны быстрого электрона определяется из следующих соображений. Из закона сохранения энергиидля электрона с зарядом “-e”, проходящего через область, в которой значение потенциала изменяетсяот 0 до V0, следуетeV0  p 2 2m  h 2 (2m2 ) ,1(1)де Бройль Луи (15.VIII.1892–19.III.1987) – французский физик-теоретик, член (1933) и секретарь (1942–1975) Парижской АН, член АН СССР (1958), в 1928–1962 гг.

профессор Парижского университета. В 1923 г.предположил о волновой природе вещества. Нобелевская премия 1929 г. за открытие волновой природы электрона.2Буш Ханс (1884–1973) – немецкий физик, в 1922–1947 гг. профессор университета Йены. Основоположникэлектронной оптики. Открыл (1926) фокусирующее действие магнитного поля на заряженные частицы и разработал магнитную электронную линзу.3Кнолл Макс (17.VII.1897–6.XI.1969) – немецкий инженер. В 1927–1932 гг. руководитель группы исследования электронов в Институте высоких напряжений Технического университета Берлина.

Создал совместно сРуской первый электронный микроскоп в 1931 г.4Руска Эрнст (25.XII.1906–25.V.1988) – немецкий физик, ученик Кнолла. Создал совместно с Кноллом первый электронный микроскоп в 1931 г. (Нобелевская премия 1986 г.). С 1957 по 1974 г. – директор Институтаэлектронной микроскопии в Западном Берлине.258© www.phys.nsu.ruгде V0 – ускоряющее напряжение, если за нулевой уровень принят потенциал земли, р – импульсэлектрона и h – постоянная Планка5; использовалось соотношение де Бройля p  mv  h /  . Отсюдаh.2meV0(2)Если λ измеряется в нанометрах, а V0 – в вольтах, то  1, 22639 / V0 .(3)Для ускоряющего напряжения в 100 кВ длина волны электрона λ = 0,037 Å.

При повышенныхэнергиях надо учитывать релятивистское изменение массы электрона. Погрешность определения λ вслучае использования нерелятивистских формул при ускоряющем напряжении 100 кВ уже достигает5 %. В релятивистском случае масса частицы становится больше массы покоя:m  m0  m01 v2 / c2 ,где m0 – масса покоя электрона, с – скорость света. Уравнения (1)–(3) соответствующим образоммодифицируются.

Используя соотношение де Бройля, можно получить длину волны электрона срелятивистской поправкой в видеh,2meVrгдеVr  V0 e2V0 2 –2mcтак называемое “релятивистское ускоряющее напряжение”, введенное для удобства. После расчётоввеличина λ может быть представлена в виде  1, 22639 / V0  0,9785  106 V02 ,(4)где V0 выражается в вольтах, а λ – в нанометрах. Релятивистская поправка существенна для высоковольтной электронной микроскопии.

Если V0 выражается в мегавольтах, хорошим приближением длярелятивистского ускоряющего напряжения будетVr  V0  V02 ,откуда следует, что Vr = 6 МВ для микроскопа с энергией электронов 2 МэВ. Самые большие приборы, имеющиеся в настоящее время, работают с ускоряющим напряжением 3 МВ.Фокусировка электронного луча магнитным полем. Наиболее подходящим средством изменения направления движения электронов является воздействие на него электрическим или магнитнымполем. Используемые в электронных микроскопах электромагнитные линзы имеют тороидальнуюформу с внутренним полым цилиндрическим каналом. Если в этот канал направить электронныйпучок, то на входе в него электроны начнут вращаться вокруг оси цилиндра.

Это обусловлено тем,что на них действует сила, перпендикулярная направлению их движения и радиальной составляющеймагнитного поля. Благодаря воздействию продольной составляющей напряженности магнитного поляэлектроны, обладающие теперь и азимутальной скоростью, начнут приближаться к оси симметриитаким образом, что при выходе из канала электромагнита они соберутся в одну точку, лежащую науказанной оси.

Электрические и магнитные поля изменяют направление движения электронов и,кроме того, при достаточном приближении электронов к оси симметрии обладают свойствами линз,т. е. фокусирующими свойствами. Поэтому для описания свойств электронных линз можно использовать фокусное расстояние и положения фокальной плоскости аналогично оптической микроскопии.Электронно-оптическая схема микроскопа. Электронный микроскоп состоит из электроннойпушки и системы электронных линз (рис.

1). На этой же схеме изображен путь луча в микроскопе, в5Планк Макс Карл Эрнест Людвиг (23.IV.1858–4.X.1947) – немецкий физик-теоретик, член Берлинской АН(1894), АН СССР (1926), Лондонского королевского общества (1926), профессор ряда немецких университетов.Вывел законы химического равновесия в газах и растворах (1887).

Вывел закон чернотельного излучения(1900), ввёл квант действия (постоянную Планка, Нобелевская премия 1918 г.), вывел релятивистские уравнения для энергии и импульса электрона (1906), тогда же придумал термин «теория относительности». ИменемПланка названо научное общество в Германии.259© www.phys.nsu.ruИсточникэлектроновКонденсорнаядиафрагма илинзаОбразецОбъективная линзаи диафрагмаI – дифракционнаякартинаI1– изображениеПромежуточная линзаСелекторнаядиафрагмаI2 – изображениеПроекционная линзаIII – дифракционнаякартинаКонечное изображениеНа флуоресцирующемэкранеa)Изображениеb) ДифракцияРис.1. Путь лучей в электронном микроскопе. Показаны два режима работы микроскопаконструкции которого имеется три ступени увеличения (объектив, промежуточная линза и проектор)и одна конденсорная линза в осветительной системе.Все электроны, рассеянные препаратом в одном и том же направлении сводятся объективной линзой в одну точку, лежащую в ее фокальной плоскости.

Если объект обладает кристаллической решеткой, то он образует дискретный набор направлений рассеяния электронов, каждому из которых соответствует точка в фокальной плоскости. Таким образом, в этой плоскости располагается дифракционная картина объекта. При продолжении траекторий электронов они пересекают плоскость, сопряженную объекту так, что все электроны, прошедшие через определенную точку объекта, попадают водну и ту же точку сопряженной плоскости. Вследствие этого центральный неотклоненный пучокобразует в сопряженной плоскости светлопольное изображение, а каждый из дифракционных пучков– темнопольное.

Каждое из этих изображений может быть выделено с помощью апертурной диафрагмы в фокальной плоскости объектива.Расположенная за сопряженной плоскостью длиннофокусная промежуточная линза при изменении ее фокусного расстояния может переносить на плоскость, в которой расположена диафрагмапроектора, как изображение объекта, так и дифракционную картину, формирующуюся в фокальнойплоскости объектива.

Таким образом, промежуточная линза позволяет совмещать в электронноммикроскопе наблюдение увеличенного изображения объекта и его дифракционной картины. Соответственно проекционная линза переносит на конечный экран либо трехкратно увеличенное изображение объекта, либо его двукратно увеличенную дифракционную картину.Увеличенное изображение I1, сформированное объективом, называется первым промежуточнымизображением. Оно служит в качестве объекта для промежуточной линзы, которая формирует второепромежуточное изображение I2. Далее изображение I2 увеличивается проекционной линзой для получения конечного изображения объекта на флуоресцирующем экране.260© www.phys.nsu.ruТаким образом, для получения на конечном экране увеличения, например в 20000 крат, типичные(приблизительные) увеличения различных ступеней для электронного микроскопа следующие: объективная линза ×25, промежуточная линза ×8, проекционная линза ×100.

При этом конечное увеличение можно изменять, регулируя ток в промежуточной или проекционной линзе.Дифракция от малого участка препарата (микродифракция) осуществляется с помощью селекторной диафрагмы сопряженной плоскости объектива, через которую пропускаются далее лишь электроны, которые взаимодействовали с выделенным участком препарата и участвовали в формировании его изображения.

Аналогичным образом в дифракционной картине с помощью апертурной диафрагмы (в фокальной плоскости объективной линзы) можно выделить дифракционный луч и вслед заэтим получить темнопольную картину, соответствующую этому дифракционному лучу.Разрешение микроскопа и аберрации линз. Основным преимуществом использования электронных микроскопов является их исключительно высокая разрешающая способность, которая становится возможной из-за чрезвычайно малой длины волны электронов по сравнению с длинами волндругих форм излучения, для которых можно создать оптическую систему. Величина этого разрешения определяется формулой Рэлея6, полученной с учетом максимального угла рассеяния электроновα, при котором они еще могут пройти через объективную линзу. Эта формула имеет следующий вид:R  0,61 /  ,(5)где R – размер разрешаемого объекта, λ – длина волны, α – эффективная угловая апертура объективной линзы.Эффективная угловая апертура в электронном микроскопе ограничивается главным образом сферической аберрацией.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лабораторной работы