掃描電鏡原理介紹之元素與掃描電鏡及能譜儀的聯(lián)系

相信大家都知道掃描電鏡的背散射電子（BSE），背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子。其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。

大家可以這樣想象：當(dāng)我們用乒乓球（入射電子）砸向石頭（原子核）時，乒乓球便會被反彈回來，反彈回來的這些乒乓球便是背散射電子。因此，當(dāng)原子序數(shù)越大，原子核所帶正電荷就越多，能夠反彈回來的背散射電子便會越多，在掃描電鏡成像上的體現(xiàn)就是信號量較充足。
 

在掃描電鏡下，如上圖所示，我們不難發(fā)現(xiàn)其中有黑色的地方（C 元素）也有白色的地方（Sn 元素），這里成像的襯度便反應(yīng)了原子序數(shù)的差異。

而通過能譜檢測特征 X 射線則可以知道原子是什么，有多少。當(dāng)入射電子束與材料相互作用時，原子內(nèi)層電子被打跑，外層電子向內(nèi)躍遷填補(bǔ)空位，多余的能量以 X 射線形式釋放。由于原子序數(shù)的不同，核外電子排布方式也是不同，內(nèi)外層電子的能量差也就不同，因此元素釋放的 X 射線能量不同，這些具有原子信息的 X 射線稱為特征 X 射線。
 

通過分析 X 射線“能量”，可以識別出與之對應(yīng)的元素。
通過分析 X 射線“數(shù)量”，可以分析出不同元素的含量。

經(jīng)過上面介紹，可以發(fā)現(xiàn)元素與掃描電鏡（SEM）及能譜儀（EDS）存在密切的聯(lián)系。通過掃描電鏡背散射電子圖像可以初步判定樣品表面的成分信息，結(jié)合能譜儀（EDS）可以測得樣品表面元素的種類和含量。

1869 年俄國科學(xué)家門捷列夫（Dmitri Mendeleev）首先創(chuàng)造了元素周期表，門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素排布規(guī)律的過程還有一個小故事：

有一天，門捷列夫正在苦惱元素之間的規(guī)律，他坐到桌前擺弄起了“紙牌”，擺著，擺著，門捷列夫像觸電似的站了起來，在他面前出現(xiàn)了完全沒有料到的現(xiàn)象，每一行元素的性質(zhì)都是按照原子量的增大而從上到下地逐漸變化著。他將當(dāng)時已知的 63 種元素依照相對原子質(zhì)量大小并以表的形式排列，把有相似化學(xué)性質(zhì)的元素放在同一列，制成元素周期表的雛形。經(jīng)過多年修訂后才成為當(dāng)代的周期表。

元素周期表中各個元素所在的位置決定了很多信息，其中就包含了原子核及核外電子排布的信息。
1. 在元素周期表中原子序數(shù)決定了原子核所帶正電荷數(shù)。原子核極小，它的直徑在10-15 m~10-14 m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一，在這極小的原子核里卻集中了 99.96 % 以上原子的質(zhì)量，原子核的密度極大，核密度約為 1017 kg/m3。

2. 在元素周期表中原子序數(shù)決定了核外電子數(shù)，處于基態(tài)的原子，核外電子排布方式遵守最低能量原理，泡利不相容原理和洪特規(guī)則。