第九章光學(xué)顯微

小麥原淀粉

糊化后小麥淀粉

第九章光學(xué)顯微分析2/4/2023列文虎克在17世紀(jì)中期制作的復(fù)式顯微鏡20世紀(jì)初的顯微鏡多用途顯微鏡2/4/2023光學(xué)顯微鏡分類——幾何光學(xué)顯微鏡

生物、倒置、金相、暗視野顯微鏡等?！锢砉鈱W(xué)顯微鏡

偏光、相差、干涉、相差偏光、相差干涉、相差熒光顯微鏡等?！畔⑥D(zhuǎn)換顯微鏡

熒光、圖像分析、聲學(xué)、照相、電視顯微鏡及顯微分光光度計(jì)等?！胤N光學(xué)顯微鏡

高溫、近場光學(xué)顯微鏡等。2/4/2023一光的物理本質(zhì)二光學(xué)顯微分析原理三偏光顯微鏡和相差顯微鏡的原理與構(gòu)造本章提綱四光學(xué)顯微分析制樣方法五光學(xué)顯微分析在材料研究中的應(yīng)用2/4/2023青藍(lán)第一節(jié)光的物理本質(zhì)一波粒二象性2/4/2023色散實(shí)驗(yàn)2/4/2023

光是橫波——振動(dòng)方向與傳播方向垂直。在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光矢量有不同的振動(dòng)狀態(tài)。垂直于光傳播方向的二維平面內(nèi)光矢量的振動(dòng)狀態(tài)，叫光波的偏振態(tài)。

按偏振態(tài)，光波分為自然光和偏振光。二自然光與偏振光2/4/2023

光源中包含許多分子和原子，不同的原子或分子所發(fā)光波(或同一原子不同時(shí)刻所發(fā)光波)，振動(dòng)方向、振幅、初始相位各不相同。

在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，觀測的最小時(shí)間間隔內(nèi)，各個(gè)方向的振動(dòng)幾率相同，稱為自然光。1自然光2/4/2023

迎光矢量圖：表示迎(逆)著光時(shí)，垂直于光傳播方向的平面內(nèi)振動(dòng)方向的矢量圖。

迎光矢量圖上，自然光是均勻分布的輻射線。等效2/4/20232完全偏振光

⑴線偏振光

光振動(dòng)電矢量總是在一個(gè)固定的平面內(nèi)(又稱平面偏振光)。在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)，電矢量端點(diǎn)的軌跡是一條直線。2/4/2023迎光矢量圖上，線偏振光是一條直線。

自然光可等效為兩振幅相等、互相垂直、無相位關(guān)系的線偏振光。2/4/2023(2)圓偏振光

垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量的大小不變，但隨時(shí)間以角速度ω旋轉(zhuǎn)，其末端的軌跡是圓，這種光叫做圓偏振光。在某一固定時(shí)刻t，傳播方向上各點(diǎn)對應(yīng)的光矢量的端點(diǎn)軌跡是螺旋線。2/4/2023

垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，右旋圓偏振光的電矢量隨時(shí)間變化示意圖

迎光的傳播方向觀察到的圓偏振光的光矢量隨時(shí)間變化是右旋的圓偏振光，稱為右旋圓偏振光；反之，叫左旋圓偏振光。2/4/2023⑶橢圓偏振光

垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量的方向和大小都在隨時(shí)間改變，光矢量的端點(diǎn)描出一個(gè)橢圓，叫橢圓偏振光。左旋橢圓偏振光電矢量隨時(shí)間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)2/4/20233部分偏振光

由自然光和完全偏振光組成的光：

(1)自然光+線偏振光；

(2)自然光+圓偏振光；

(3)自然光+橢圓偏振光。2/4/2023一光學(xué)顯微鏡成像原理第二節(jié)光學(xué)顯微分析原理單個(gè)透鏡成像，光路等效為：物S像S’L2/4/20232/4/2023單目與雙目光學(xué)金相顯微鏡2/4/2023

平行光經(jīng)凸透鏡會(huì)聚，在焦平面上形成的衍射圖樣點(diǎn)物成像，會(huì)形成一個(gè)一定大小的愛里斑(Airydisk)。由于衍射現(xiàn)象，會(huì)使圖像邊緣變得模糊不清，分辨率下降。二光學(xué)顯微鏡主要參數(shù)1分辨率Df2/4/2023愛里斑愛里斑直徑：第一級暗環(huán)直徑d

中央明紋區(qū)域，邊界是第一級暗紋極小值第一暗環(huán)對應(yīng)的半張角理論計(jì)算：2/4/2023

點(diǎn)物S和S1對透鏡中心O的張角，等于其分別相應(yīng)的中央零級衍射中心S'、S1'對O的張角。如圖，可分辨這兩個(gè)物點(diǎn)；當(dāng)兩個(gè)物點(diǎn)距離足夠小時(shí)，就有能否分辨的問題。

瑞利判據(jù)：點(diǎn)物S1的愛里斑中心恰好與另一個(gè)點(diǎn)物S2的愛里斑邊緣相重合時(shí)，恰可分辨兩物點(diǎn)。S1SS’S1’LO2/4/2023可分辨恰可分辨不可分辨S1S2S1S2S1S2兩愛里斑中心距d0恰好等于愛里斑半徑2/4/2023

電子顯微鏡以加速的電子束代替自然光束，波長約0.1nm，用來觀察物質(zhì)結(jié)構(gòu)。波長鏡頭直徑

天文望遠(yuǎn)鏡口徑很大：世界最大的天文望遠(yuǎn)鏡直徑16米，智利。2/4/20232放大倍數(shù)M=OM/眼=1000

3數(shù)值孔徑

N.

A.=n?sinθ0

4焦深(焦點(diǎn)深度或焦長)：透鏡像平面允許的軸向偏差景深：透鏡物平面允許的軸向偏差2/4/2023第三節(jié)光學(xué)顯微鏡的原理和構(gòu)造一偏光顯微鏡1原理2結(jié)構(gòu)P21單偏光顯微鏡正交偏光顯微鏡2/4/2023二相差顯微鏡1原理2結(jié)構(gòu)環(huán)形光闌位相板共軛面補(bǔ)償面2/4/20231取樣(Sampling)代表性的部位;軟金屬：手鋸或鋸床切割；硬而脆的材料(如白口鑄鐵)：錘擊；極硬材料(如淬火鋼)：砂輪切片機(jī)或線切割；大工件：氧氣切割試樣大小:

直徑ф(12-15)mm、高度(或邊長)12-15mm的圓柱體或正方體。第四節(jié)光學(xué)顯微分析制樣方法樣品光片制備步驟：P442/4/20232鑲樣(Inlay)

鑲樣方法很多，如低熔點(diǎn)合金鑲嵌、電木粉或塑料鑲嵌和機(jī)械夾持等，多用電木粉鑲嵌。2/4/20233研磨(Grind)粗磨：砂輪機(jī)。軟材料：銼刀銼平,壓力要適度、均勻。磨制過程中要不斷用水冷卻試樣；試樣倒角。

細(xì)磨:

每換細(xì)一級砂紙時(shí)，應(yīng)先將試樣清洗干凈，以免把粗砂粒帶到下一級砂紙上去，再將試樣的磨制方向調(diào)轉(zhuǎn)90°，即磨制方向與上一道磨痕方向垂直。

試樣表面磨痕變化2/4/2023拋光(Polishing)目的：去除細(xì)磨后留下的細(xì)微磨痕，使磨面呈光亮鏡面。機(jī)械拋光、電解拋光和化學(xué)拋光等。

過程：拋光機(jī)：300-500rpm，粗拋和精拋。粗拋：轉(zhuǎn)速高；精拋或拋軟材料，轉(zhuǎn)速低。

拋光布:

粗拋時(shí)常用帆布或粗呢，精拋時(shí)常用絨布、細(xì)呢或絲綢等。拋光時(shí)需不斷向拋光盤上滴注拋光液，以產(chǎn)生磨削和潤滑作用。

拋光液常采用Al2O3、MgO或Cr2O3等細(xì)拋光粉(粒度約為0.3-1μm)的水懸浮液(A12O3：5～l0g/L)。拋光試樣的磨面應(yīng)均勻、平正地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，并沿盤的半徑方向從中心到邊緣往復(fù)移動(dòng)。壓力不宜過大；拋光時(shí)間一般約3-5分鐘。試祥用水沖洗干凈，吹干待用。2/4/2023一般，浸蝕到試樣磨面稍發(fā)暗即可。若浸蝕過重，應(yīng)重新拋光，再行浸蝕。浸蝕后立即用清水沖洗，必要時(shí)再用酒精清洗。最后用吸水紙吸干或用吹風(fēng)機(jī)吹干。5浸蝕(Ething)目的：浸蝕劑浸蝕，顯示其顯微組織，化學(xué)腐蝕。純金屬或單相金屬,化學(xué)溶解過程；晶界處，原子排列混亂，且能量較高，易受浸蝕而呈現(xiàn)凹溝。垂直光線照下，各部位反射進(jìn)入物鏡的光線不同，顯示出晶界及明暗不同的晶粒。兩相或兩相以上合金的浸蝕，是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過程——微電池：具有負(fù)電位的一相成為陽極，被迅速溶解而凹陷；陰極保持原來的光滑平面。2/4/2023第五節(jié)光學(xué)顯微鏡在材料研究中的應(yīng)用2/4/20232/4/2023一聚合物的結(jié)晶1球晶PEO結(jié)晶過程中球晶生長的正交偏光顯微鏡照片

2/4/2023聚丙烯球晶的黑十字消光(55×)

聚乙烯球晶的同心消光環(huán)(720×)

2/4/20232樹枝晶聚乙烯的樹枝晶(70℃，二甲苯稀溶液)

2/4/2023熱致型液晶按分子排列狀態(tài)分為:向列相近晶相膽甾相3液晶2/4/2023不同轉(zhuǎn)速下混合的PVC/PE共混物的相形態(tài)(質(zhì)量比為1:1，暗區(qū)為PVC)轉(zhuǎn)速/r/min：a:30b:50c:100二聚合物多相體系2/4/2023150r/min下不同混合時(shí)間的LDPE/PVC熔融共混物的相形態(tài)(質(zhì)量比為7:3)時(shí)間/min：a:5b:15c:25d:352/4/2023不同轉(zhuǎn)速下熔融混合的LDPE/PVC共混物的相形態(tài)的演化(質(zhì)量比為7:3)a:150r/min混合25minB:再在50r/min下混合25min2/4/2023絢麗多姿的晶體三無機(jī)材料2/4/2023解理、貝克線、糙面、突起；消光玻璃結(jié)石中的鱗石英P522/4/20232/4/2023龍門石窟解理面——曾榮昌科學(xué)網(wǎng)博客/home.php?mod=space&uid=114283&do=blog&id=498303解理，Cleavage——礦物等結(jié)晶物質(zhì)以平面為界劈裂開來而形成光滑面的傾向，通常沿著晶體中鍵結(jié)較弱的方向產(chǎn)生，可以反映出晶體的結(jié)構(gòu)（晶形），是判斷礦物種類的依據(jù)之一。有此現(xiàn)象的晶體所產(chǎn)生的平面稱為「解理面」。解理與礦物硬度無關(guān)。解理、節(jié)理、劈理、片理、層理