一引言
透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)是利用高能電子束充當(dāng)照明光源而進(jìn)行放大成像的大型顯微分析設(shè)備。1933年，德國科學(xué)家盧斯卡(Ruska)和克諾爾(Knoll)研制出了世界上第一臺透射電鏡(見圖1)，并在1939年由西門子公司以這臺電鏡為樣機(jī)，量產(chǎn)了第一批商品透射電鏡，約40臺，分辨能力比光學(xué)顯微鏡提高了20倍。從此，人類對微觀世界的科學(xué)研究有了更強有力的武器。到今天，透射電鏡已經(jīng)誕生了70多年，由電鏡應(yīng)用而形成的交叉性學(xué)科——電子顯微學(xué)已經(jīng)日趨完善，電鏡的分辨能力也比最初時提高了超過100倍，達(dá)到了亞埃級，并且在自然科學(xué)研究中起到日益重要的作用。
圖1. 盧斯卡和克諾爾制造的第一臺透射電鏡及設(shè)計圖紙
二、電子光學(xué)基礎(chǔ)
無論光學(xué)顯微鏡還是電子顯微鏡，其最重要的性能指標(biāo)就是分辨能力，具體就是一個光學(xué)系統(tǒng)能分開兩個物點的能力，它在數(shù)值上是剛能清楚的分開兩個物點之間的最小距離。例如人眼睛的分辨能力約為0.2毫米，就是說人眼可以剛剛區(qū)分開兩個相距0.2毫米的小點，而兩個小點的距離小于0.2毫米時將被看成是一個點而無法分辨?！?/p>
根據(jù)經(jīng)典的阿貝(Abbe,18世紀(jì)德國科學(xué)家)公式：
，其中r為分辨能力;λ為照明光源波長;n為透鏡上下介質(zhì)的折射率;α為透鏡的孔徑半角。由上公式可知，當(dāng)介質(zhì)折射率和孔徑半角一定時，照明光源的波長越短顯微鏡的分辨能力越高。光學(xué)顯微鏡在使用盡量大的孔徑角和盡量高折射率的物質(zhì)浸沒物鏡時，由于可見光波長(約390到700納米)的限制，其極限分辨能力只有200納米，此時有效放大倍數(shù)約為1000倍。科學(xué)家曾考慮過用波長更短的紫外線和X射線作為顯微鏡光源，但是，使用紫外線為光源時分辨能力只比可見光高一倍，而對于X射線又至今尚未發(fā)現(xiàn)使其折射偏轉(zhuǎn)和聚焦成像的方法，所以都無法被有效利用。根據(jù)德布羅意(De Broglie,20世紀(jì)法國科學(xué)家)提出的運動的微觀粒子具有波粒二象性的觀點，電子束流也具有波動性，而且電子波的波長比可見光要短得多(例如200千伏加速電壓下電子波波長為0.00251納米)，顯然，如果用電子束作光源制成的顯微鏡將具有比光學(xué)顯微鏡高得多的分辨能力。更重要的是，由于電子在電場中會受到電場力運動，以及運動的電子在磁場中會受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這使得使用科學(xué)手段使電子束聚焦和成像成為可能。靜電透鏡和磁透鏡的發(fā)明使得電子顯微鏡擁有了最核心的部件，最終蓬勃發(fā)展起來。
圖2. 鐵包殼磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖
三、透射電鏡的基本構(gòu)造
圖3. 透射電鏡基本構(gòu)造示意圖
透射電鏡各重要部件及其作用：
電子槍：發(fā)射高能電子束，提供光源;
聚光鏡：將發(fā)散的電子束會聚得到平行光源;
樣品桿：裝載需觀察的樣品;
物鏡：電鏡最關(guān)鍵的部分，起到聚焦成像一次放大的作用;
中間鏡：二次放大，并控制成像模式(圖像模式或者電子衍射模式);
投影鏡：三次放大;
熒光屏：將電子信號轉(zhuǎn)化為可見光，供操作者觀察;
底片盒：傳統(tǒng)的底片照相;
CCD相機(jī)：先進(jìn)的電子相機(jī)，拍照效率比傳統(tǒng)底片高很多。
四、透射電鏡放大成像原理
圖4. 電鏡和光鏡光路圖及電鏡物鏡成像原理
透射電鏡和光學(xué)顯微鏡的各透鏡位置及光路圖基本一致，都是光源經(jīng)過聚光鏡會聚之后照到樣品，光束透過樣品后進(jìn)入物鏡，由物鏡會聚成像，之后物鏡所成的一次放大象在光鏡中再由物鏡二次放大后進(jìn)入觀察者的眼睛，而在電鏡中則是由中間鏡和投影鏡再進(jìn)行兩次接力放大后最終在熒光屏上形成投影供觀察者觀察。電鏡物鏡成像光路圖也和光學(xué)凸透鏡放大光路圖一致。入射電子束照射并透過樣品后，樣品上的每一個點由于對電子的散射變成一個個新的點光源，并向不同方向散射電子。透過樣品的電子束由物鏡會聚，方向相同的光束在物鏡后焦平面上會聚與一點，這些點就是電子衍射花樣，而在物鏡像平面上樣品中同一物點發(fā)出的光被重新匯聚到一起，呈一次放大相。
五、透射電鏡應(yīng)用舉例
透射電子顯微鏡如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)各領(lǐng)域，尤其在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等方面發(fā)揮著不可代替的作用。
(a)某植物細(xì)胞 (b)某一維納米材料 (c)某陶瓷材料
圖5. 不同應(yīng)用領(lǐng)域的電鏡照片
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