一引言

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）是利用高能电子束充当照明光源而进行放大成像的大型显微分析设备。1933年，德国科学家卢斯卡（Ruska）和克诺尔（Knoll）研制出了世界上第一台透射电镜（见图1），并在1939年由西门子公司以这台电镜为样机，量产了第一批商品透射电镜，约40台，分辨能力比光学显微镜提高了20倍。从此，人类对微观世界的科学研究有了更强有力的武器。到今天，透射电镜已经诞生了70多年，由电镜应用而形成的交叉性学科——电子显微学已经日趋完善，电镜的分辨能力也比最初时提高了超过100倍，达到了亚埃级，并且在自然科学研究中起到日益重要的作用。

图1. 卢斯卡和克诺尔制造的第一台透射电镜及设计图纸

二 电子光学基础

无论光学显微镜还是电子显微镜，其最重要的性能指标就是分辨能力，具体就是一个光学系统能分开两个物点的能力，它在数值上是刚能清楚的分开两个物点之间的最小距离。例如人眼睛的分辨能力约为0.2毫米，就是说人眼可以刚刚区分开两个相距0.2毫米的小点，而两个小点的距离小于0.2毫米时将被看成是一个点而无法分辨。

根据经典的阿贝（Abbe,18世纪德国科学家）公式：，其中r为分辨能力；λ为照明光源波长；n为透镜上下介质的折射率；α为透镜的孔径半角。由上公式可知，当介质折射率和孔径半角一定时，照明光源的波长越短显微镜的分辨能力越高。光学显微镜在使用尽量大的孔径角和尽量高折射率的物质浸没物镜时，由于可见光波长（约390到700纳米）的限制，其极限分辨能力只有200纳米，此时有效放大倍数约为1000倍。科学家曾考虑过用波长更短的紫外线和X射线作为显微镜光源，但是，使用紫外线为光源时分辨能力只比可见光高一倍，而对于X射线又至今尚未发现使其折射偏转和聚焦成像的方法，所以都无法被有效利用。根据德布罗意（De Broglie,20世纪法国科学家）提出的运动的微观粒子具有波粒二象性的观点，电子束流也具有波动性，而且电子波的波长比可见光要短得多（例如200千伏加速电压下电子波波长为0.00251纳米），显然，如果用电子束作光源制成的显微镜将具有比光学显微镜高得多的分辨能力。更重要的是，由于电子在电场中会受到电场力运动，以及运动的电子在磁场中会受到洛伦兹力的作用而发生偏转，这使得使用科学手段使电子束聚焦和成像成为可能。静电透镜和磁透镜的发明使得电子显微镜拥有了最核心的部件，最终蓬勃发展起来。

图2. 铁包壳磁透镜结构示意图

三 透射电镜的基本构造

图3. 透射电镜基本构造示意图

透射电镜各重要部件及其作用：

电子枪：发射高能电子束，提供光源；

聚光镜：将发散的电子束会聚得到平行光源；

样品杆：装载需观察的样品；

物镜：电镜最关键的部分，起到聚焦成像一次放大的作用；

中间镜：二次放大，并控制成像模式（图像模式或者电子衍射模式）；

投影镜：三次放大；

荧光屏：将电子信号转化为可见光，供操作者观察；

底片盒：传统的底片照相；

CCD相机：先进的电子相机，拍照效率比传统底片高很多。

四 透射电镜放大成像原理

图4. 电镜和光镜光路图及电镜物镜成像原理

透射电镜和光学显微镜的各透镜位置及光路图基本一致，都是光源经过聚光镜会聚之后照到样品，光束透过样品后进入物镜，由物镜会聚成像，之后物镜所成的一次放大象在光镜中再由物镜二次放大后进入观察者的眼睛，而在电镜中则是由中间镜和投影镜再进行两次接力放大后最终在荧光屏上形成投影供观察者观察。电镜物镜成像光路图也和光学凸透镜放大光路图一致。入射电子束照射并透过样品后，样品上的每一个点由于对电子的散射变成一个个新的点光源，并向不同方向散射电子。透过样品的电子束由物镜会聚，方向相同的光束在物镜后焦平面上会聚与一点，这些点就是电子衍射花样，而在物镜像平面上样品中同一物点发出的光被重新汇聚到一起，呈一次放大相。

五 透射电镜应用举例

透射电子显微镜如今已经广泛应用于自然科学各领域，尤其在物理、化学、生物、医学和材料科学等方面发挥着不可代替的作用。

（a）某植物细胞　　　 （b）某一维纳米材料　　　 （c）某陶瓷材料

图5. 不同应用领域的电镜照片