接下来，是见证微观世界的时刻

2018 年 3 月 29 日 中科院物理所 颜相宁

微观世界里的一切奇妙而神秘，让越来越多的科技工作者探索它们的奥秘。也许肉眼下看似平整的表面在显微镜下就像是连绵起伏的山峰；你认为的致密的纤维织品其实在微观世界里就像“一团乱麻”。

实验室中，带我们走进微观世界的“秘密通道”里基本的也是常用的有这几种：光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜。今天相宁就带大家分析一下这三种显微镜，看看它们之间有啥子相同、啥子不同呢？～～

光学显微镜（OM）

实验室常用的光学显微镜（简称光镜）有两种，一种为透射式，一种为反射式。

两种光镜的作用原理不同。透射式光镜，一般使用在生物学等方向，它通过透射光的方式来观察切片样品。因为透射式光镜的光路和观察部分分在两边，光是透过样品之后达到目镜上，因此这种光镜为透射式；另一种光镜为反射式，在材料学领域经常使用的金相显微镜就是典型的反射式光镜。因为材料不透光，因此光靠反射进入目镜，故此光镜为反射式光镜。

透射电子显微镜(TEM)

透射电子显微镜（简称透射电镜）与透射式光镜相似，均采用穿透样品的方式观测样品。但是不同的是光镜采用的是光穿透样品，而根据透射电镜的名称就可以知道它使用的不是光，而是电子束。

电子束经过加速、聚焦之后，穿过样品，再被荧光屏接收。透射电镜的成像方式也分两种：透射成像、衍射成像。两种电镜的功能也有区别：透射成像反映材料的质厚衬度，衍射成像反映材料的晶格信息。

扫描电镜（SEM）

同样，扫描电子显微镜(简称扫描电镜)使用的也是电子束。电子束经过加速、聚焦，与样品相互作用，产生了一个作用区域，在作用区域之内会产生一些信号，主要分为背散射电子和二次电子，这两种电子被探测器收集到，转换成图像信号产生于屏幕上，就可以产生我们所看到的检测结果——那些灰白照片~~

扫描电镜与透射电镜到底有哪些区别呢？

透射电镜使用一束半径较大（与被观测区域大小相同）的电子束照射被观测样品的表面，感光器件收集到透过样品的电子束，从而显示出材料的内部信息。这种方式简单粗暴，就像是拿手电筒“duang”的把光照到了材料待观测区域一样。

而扫描电镜是采用半径很小的电子束以扫描的方式（通过扫描线圈的偏转电压来控制扫描方式），逐点获取材料观测区域的信息。这种操作就像是在用笔在纸上来来回回画线，直至把待画的空白处都画上一遍为止。

但是透射电镜和扫描电镜也有一些相同之处，就是：都可以获取需测试材料的成分信息。这是因为两种电镜都可以产生电子束，电子束和样品作用时，会产生特征x射线，对于特征x射线的分析可以得知材料的元素组成。

看到这里，你是不是有很多疑问，比如：什么是二次电子，什么是背散射电子，什么是特征X射线？欲知详情，请继续往下看~~

你知道吗？在材料的每个原子的原子核周围都分布着由一个或者多个电子形成的电子云，如下图。有的电子的运行轨道离原子核近，有的离原子核较远。原子核最外层轨道上的电子就成为外层电子，其他的是内层电子。

关于扫描电镜的介绍中，有一种电子叫背散射电子。那它又是啥呢？和普通电子有什么不同呢？

电镜所发射的电子撞到了材料的原子核上，因为原子核太大了，电子的动量又守恒，所以它又以大角度的方式反射了回来，再被探测到之后的这种电子就成为了背散射电子。

二次电子又是啥捏？

电镜所发射出的电子，撞击到了材料原子核周围的外层电子上，致使这些外层电子从原子核的束缚之中逃逸了出来，成为了二次电子。就好像是第一代电子所产生的第二代电子的意思。

还有，特征x射线，到底自带啥子神奇特征呢？

入射电子撞击到材料原子核周围的内层电子，导致这些内层电子受激发。因为它在原子核周围的电子云的内层，所以给的能量太少，也逃离不了原子核的束缚，转而从其激发态向稳定态（基态）跃迁。跃迁过程中，多余的能量以x射线的形式发出。因为不同元素所发射出的x射线波长不同，故这些x射线成为了每种材料的独特表征，因此命名为特征x射线。

除以上所讲述之外，显微镜的大家族之内还有原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）、扫描透射电子显微镜（STEM）等。而且，随着科技的发展，光学显微镜也不断推陈出新，采用激光以类似于扫描电镜的方式来观测样品的共聚焦显微镜，也得到了更高的敏感度和分辨率。扫描电镜也越来越小，由大电镜进化到了非常精巧的台式扫描。

所以，就先下图，这样几个微米的小物体的神秘微观世界，距离你我还会远吗？