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光學(xué)顯微分析第一頁,共二十七頁,2022年,8月28日第2章光學(xué)顯微分析2.1材料形貌分析簡介2.2光學(xué)幾個基本知識2.3幾種常用顯微鏡的工作原理2.4光學(xué)顯微分析的發(fā)展2.5顯微鏡的成像原理2.6偏光顯微鏡第二頁,共二十七頁,2022年,8月28日2.1材料形貌分析簡介物體的表面是物質(zhì)存在的一種客觀形式,固體從體相延伸到表面,最終在表面形成原子及其電子分布的終端,從而導(dǎo)致表面具有體相所不具備的新的特點(diǎn)和新的特征。同時也破壞了物體的連續(xù)性。因此研究物體的表面比研究物體的體相有更大的難度。在表面分析中,由于表面層的光學(xué)干涉、表面缺陷、粒度大小等表面變化為微觀變化,實(shí)測結(jié)果往往與常規(guī)觀察的判斷有很大的區(qū)別。材料的形貌也是材料分析的重要組成部分,主要分析材料的幾何形貌,材料的顆粒度以及顆粒度的分布等方面。光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡(掃描電子顯微鏡SEM;透射電子顯微鏡TEM;掃描隧道顯微鏡STM;原子力顯微鏡AFM)第三頁,共二十七頁,2022年,8月28日人眼:0.2mm/250mm光學(xué)顯微鏡:0.2um電子顯微鏡:0.2nm2.2基本知識(幾個重要的分辨率)人眼:通常在25cm的明視距離內(nèi),人眼只能分辨相距的兩個物體。即物體相距不到0.1mm的時候,人眼就會把它們看成是一個物體。這個極限即為人眼的分辨本領(lǐng)。顯微鏡的分辯本領(lǐng):z=0.61×λ/(nsinα),顯微鏡的分辯本領(lǐng)與光的波長成正比。光的波長越長,其分辨率越低。只有采用比較短的波長的光線,才能獲得較高的放大倍數(shù)。光學(xué)顯微鏡:由于可見光波的波長在500nm左右,其衍射效應(yīng)使得光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不能小于200nm。電子顯微鏡:電子波λ=(1.50/E)1/2nm。當(dāng)加速電壓為100kV時,電子的波長僅為0.0037nm;當(dāng)E=30KeV時,λ≈0.007nm。電子顯微鏡可以獲得很好的高分辨率圖像,0.2-0.5nm.第四頁,共二十七頁,2022年,8月28日第五頁,共二十七頁,2022年,8月28日2.3幾種常用顯微鏡的工作原理第六頁,共二十七頁,2022年,8月28日基本原理SEM是利用聚焦電子束在樣品上掃描時激發(fā)的某種物理信號來調(diào)制一個同步掃描的顯象管在相應(yīng)位置的亮度而成象的顯微鏡。第七頁,共二十七頁,2022年,8月28日三種顯微鏡比較第八頁,共二十七頁,2022年,8月28日分辨率影響因素由于電子束的波長很短,理論上電鏡可以達(dá)到很高的分辨率;在光學(xué)顯微鏡中決定分辨率的是光的波長,象差不是主要原因;在電子顯微鏡中,波長已經(jīng)不是決定性因素;而透鏡產(chǎn)生的象散和球差,電子波產(chǎn)生的色差和衍射差是主要因素;第九頁,共二十七頁,2022年,8月28日15世紀(jì)中葉:放大鏡(單式顯微鏡)1590年荷蘭HansandZachariasJanssen:復(fù)式顯微鏡17世紀(jì)中葉R.Hooke:設(shè)計(jì)第一臺性能較好的顯微鏡ChristiaanHuygens:惠更斯目鏡19世紀(jì)德國ErnstAbbe闡明光學(xué)顯微鏡成像原理,光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)達(dá)0.2微米理論極限2.4光學(xué)顯微分析的發(fā)展光學(xué)顯微鏡的局限性一個世紀(jì)以來,人們一直用光學(xué)顯微鏡來揭示金屬材料的顯微組織,借以弄清楚組織、成分、性能的內(nèi)在聯(lián)系。但光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)有限,對諸如合金中的G.P區(qū)(幾十埃)無能為力。第十頁,共二十七頁,2022年,8月28日光學(xué)顯微鏡分類

——幾何光學(xué)顯微鏡

生物顯微鏡、落射光顯微鏡、倒置顯微鏡、金相顯微鏡、暗視野顯微鏡等?!锢砉鈱W(xué)顯微鏡相差顯微鏡、偏光顯微鏡、干涉顯微鏡、相差偏振光顯微鏡、相差干涉顯微鏡、相差熒光顯微鏡等。——信息轉(zhuǎn)換顯微鏡

熒光顯微鏡、顯微分光光度計(jì)、圖像分析顯微鏡、聲學(xué)顯微鏡、照相顯微鏡、電視顯微鏡等?!胤N光學(xué)顯微鏡高溫顯微鏡、近場光學(xué)顯微鏡等。第十一頁,共二十七頁,2022年,8月28日光學(xué)顯微鏡基本結(jié)構(gòu):1.

照明燈(Lamp)2.

聚光器(Condenser)3.

載物臺和切片夾(Mechanicalstageandspecimenretainer)4.

推進(jìn)器(Mechanicalstageadjustmentknob)5.

物鏡(Objectives)6.

粗細(xì)螺旋(Courseandfinefocusknob)7.

目鏡(Oculars)8.

照相機(jī)等接口(Connectiontocamera,etc.)第十二頁,共二十七頁,2022年,8月28日2.5顯微鏡的成像原理yF1F2L1L2物鏡目鏡f1f2y25cm顯微鏡的放大率:1.顯微鏡的光路圖和放大率:第十三頁,共二十七頁,2022年,8月28日2.光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)光學(xué)儀器的圓孔衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)系統(tǒng)分辨物體細(xì)節(jié)的能力。分辨極限:光學(xué)系統(tǒng)能分辨開兩物點(diǎn)的最短距離。分辨本領(lǐng):最短距離的倒數(shù)稱為光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。AB’B物鏡兩物點(diǎn)A’相應(yīng)兩象點(diǎn)艾里斑第十四頁,共二十七頁,2022年,8月28日瑞利判據(jù)A1A2A1A2A1A2θ=2θ>2θ<2ZD3.顯微鏡的分辨本領(lǐng)兩個物點(diǎn)(A1和A2)剛能夠被分辨的條件是:一個物點(diǎn)的衍射亮斑的第一暗環(huán)正好與另一個物點(diǎn)的衍射亮斑中央點(diǎn)重合。此時Z為剛能分辨的最短距離(即顯微鏡的分辨距離)。第十五頁,共二十七頁,2022年,8月28日

顯微鏡的分辨本領(lǐng):顯微鏡能分辨最短距離的能力用1/Z表示。Z越小,分辨本領(lǐng)越高。

根據(jù)瑞利判據(jù),得顯微鏡的分辨距離:物鏡的數(shù)值孔徑:物鏡β強(qiáng)度Z(推導(dǎo)略)Z,最小分辨距離;λ,波長;n,透鏡周圍的折射率;β,透鏡對物點(diǎn)張角的一半;第十六頁,共二十七頁,2022年,8月28日4.提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個途徑:⒈增大物鏡的數(shù)值孔徑N.A.(比如:采用油浸鏡頭)蓋玻片n=1.52n=1β干物鏡物鏡(n=1.52)油浸物鏡油n=1.52β標(biāo)本低倍鏡、高倍鏡以空氣為介質(zhì),而油鏡需以香柏油或石蠟油為介質(zhì)。這樣就避免了由于油鏡鏡孔小,而使進(jìn)入物鏡的光線產(chǎn)生折射,從而導(dǎo)致視野暗淡,物像不清現(xiàn)象的發(fā)生。第十七頁,共二十七頁,2022年,8月28日4.提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個途徑:⒉減小照射光的波長λ(采用紫外線、電子射線)第十八頁,共二十七頁,2022年,8月28日放大率即放大倍數(shù),是光鏡性能的另一重要參數(shù)。它主要有4×、10×、40×和100×四種,其中4×和10×為低倍鏡,40×為高倍鏡,100×為油鏡。鏡頭長度隨倍數(shù)的增加依次增長,而在不同放大倍數(shù)的物鏡筒上還標(biāo)有不同顏色的環(huán),以用于區(qū)別。低倍鏡、高倍鏡以空氣為介質(zhì),而油鏡需以香柏油或石蠟油為介質(zhì)。這樣就避免了由于油鏡鏡孔小,而使進(jìn)入物鏡的光線產(chǎn)生折射,從而導(dǎo)致視野暗淡,物像不清現(xiàn)象的發(fā)生。第十九頁,共二十七頁,2022年,8月28日1.偏光顯微鏡的構(gòu)造2.6偏光顯微鏡將普通光改變?yōu)槠窆膺M(jìn)行鏡檢的方法,以鑒別某一物質(zhì)是單折射(各向同性)或雙折射性(各向異性)。雙折射性是晶體的基本特征。因此,偏光顯微鏡被廣泛地應(yīng)用在礦物、化學(xué)等領(lǐng)域。在生物學(xué)中,很多結(jié)構(gòu)也具有雙折射性,這就需要利用偏光顯微鏡加以區(qū)分。在植物學(xué)方面,如鑒別纖維、染色體、紡錘絲、淀粉粒、細(xì)胞壁以及細(xì)胞質(zhì)與組織中是否含有晶體等。在植物病理上,病菌的入侵,常引起組織內(nèi)化學(xué)性質(zhì)的改變,可以偏光顯微術(shù)進(jìn)行鑒別。在人體及動物學(xué)方面,常利用偏光顯微術(shù)來鑒別骨骷、牙齒、膽固醇、神經(jīng)纖維、腫瘤細(xì)胞、橫紋肌和毛發(fā)等。

第二十頁,共二十七頁,2022年,8月28日1、機(jī)械部分鏡座:承受重力鏡臂:裝鏡筒,可傾斜載物臺:承載觀察物,可轉(zhuǎn)動,有0~360度刻度及游標(biāo)、固定螺絲,中央圓孔,固定彈簧夾

2、光學(xué)部分反光鏡:有平、凹兩面,光線弱或用高倍物鏡時用凹面下偏光鏡:將自然光轉(zhuǎn)變?yōu)槠怄i光圈:調(diào)節(jié)進(jìn)光量的大小聚光鏡:將平行光線變?yōu)殄F光鏡筒:可調(diào)節(jié)升降,上接目鏡,下接物鏡,鏡筒光學(xué)長度為物鏡后焦到目鏡前焦目鏡上偏光鏡:方向AA,垂直下偏光鏡勃氏鏡:觀察錐光時使用的放大系統(tǒng)

1.偏光顯微鏡的構(gòu)造第二十一頁,共二十七頁,2022年,8月28日物鏡:透鏡越小,鏡頭越長,放大倍數(shù)越大。物鏡一般由1~5片透鏡組成。放大倍數(shù)一般低倍4X,中倍10X-25X,高倍45X以上,油浸100X。光孔角:前透鏡最邊緣的光線與前焦點(diǎn)所構(gòu)成的角度數(shù)值孔徑:等于光孔角正弦乘介質(zhì)折射率N。數(shù)值孔徑越大,放大倍數(shù)越高。同一放大倍數(shù),數(shù)值孔徑越大,分辨率越高物鏡的分辨率就是顯微鏡的分辨率,它取決于數(shù)值孔徑的大小及所用光波的波長光學(xué)顯微鏡最高分辨率為2000埃,最大放大倍數(shù)為2000倍。一組物鏡占一臺顯微鏡總價(jià)值的五分之一到二分之一。

1.偏光顯微鏡的構(gòu)造第二十二頁,共二十七頁,2022年,8月28日第二十三頁,共二十七頁,2022年,8月28日二、偏光顯微鏡的調(diào)節(jié)與使用

1·裝卸鏡頭A·裝目鏡:直接插上即可B·裝物鏡:物鏡與鏡筒的接合類型有彈簧夾型、銷釘型及轉(zhuǎn)盤型。注意安裝到位2·調(diào)節(jié)視域亮度鏡頭裝好以后,推出上偏光,勃氏鏡,打開鎖光圈,轉(zhuǎn)動反光鏡對準(zhǔn)光源,調(diào)節(jié)視域亮度。光線不要太強(qiáng)3·調(diào)節(jié)焦距A·放上薄片,手摸一下,一定要蓋玻片朝上,用彈簧夾夾好B·下降鏡筒。用粗調(diào)旋扭朝前旋轉(zhuǎn),眼睛從側(cè)面注視鏡頭,將鏡頭下降到鏡頭工作距離以內(nèi),切匆使鏡頭與薄片接觸,以免損壞鏡頭。要鍛煉能兩個眼睛都睜開看。

2.薄片制備第二十四頁,共二十七頁,2022年,8月28日4·校正中心A·在視域內(nèi)選一小點(diǎn)置于十字絲中心B·轉(zhuǎn)動物臺180度,注意觀察小點(diǎn)的位置和軌跡C·擰校正螺旋,使小點(diǎn)內(nèi)移到中心距離的二分之一D·手移薄片,使小點(diǎn)回中心。再旋物臺,若小點(diǎn)還有偏移,重復(fù)上述操作5·校正偏光鏡方向找一塊黑云母,置于視域中心旋轉(zhuǎn)物臺,使解理縫為左右方向旋動下偏光鏡使其顏色最深,此時的下偏光鏡為PP方向取下薄片,推入上偏光鏡,使視域全黑。則上下偏光鏡正交。

2.薄片制備第二十五頁,共二十七頁,2022年,8月28日3.偏光顯微鏡在高分子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用基本原理聚合物晶體像其他晶體一樣,也是對光各向差異性的,會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。球晶呈現(xiàn)出特有的黑

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