LUẬN văn sư PHẠM vật lý KÍNH HIỂN VI điện tử và ỨNG DỤNG TRONG y – SINH học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ
ỨNG DỤNG TRONG Y – SINH HỌC

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths. HỒ HỮU HẬU

TĂNG MỸ LINH

Giáo viên phản biện:

MSSV: 1060134

1. Thầy Phạm Văn Tuấn

Lớp: SP Vật lý 01 – K32

2. Thầy Vương Tấn Sĩ

Cần Thơ - 2010

LỜI CẢM TẠ

Qua 4 năm học tập tại trường Đại học Cần Thơ, kiến thức, kỹ năng sống và
làm việc của tôi đã được mở mang rất nhiều. Đó chính là nhờ sự tận tình dạy bảo
của quý thầy cô trong và ngoài bộ môn Vật lý.
Ban đầu khi nhận đề tài luận văn “Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y –
sinh học”, tôi không tránh khỏi những bỡ ngỡ và lo lắng. Thế nhưng, chính sự
giúp đỡ tận tình của thầy Hồ Hữu Hậu, sự động viên của gia đình, bạn bè cùng sự
nỗ lực của bản thân đã là động lực to lớn giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Thông qua luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn:
- Thầy Hồ Hữu Hậu đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
thực hiện đề tài.
- Thầy Phạm Văn Tuấn và thầy Vương Tấn Sĩ đã dành thời gian xem và nhận xét
đề tài nghiên cứu của tôi.
- Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý, tiến sĩ Trần Kim Tính, thầy cô trong phòng
thí nghiệm chuyên sâu trường Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi và
đóng góp nhiều ý kiến bổ ích cho tôi thực hiện đề tài này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu nhưng do hạn chế
về thời gian và kiến thức nên đề tài của tôi khó tránh khỏi những sơ sót. Tôi rất
mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô và các bạn để tôi có cơ hội mở
mang kiến thức, đồng thời cũng để đề tài của tôi hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Cần Thơ, ngày 29 tháng 04 năm 2010
Sinh viên thực hiện

Tăng Mỹ Linh


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN






……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2010

Giáo viên hướng dẫn


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1
  
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2010

Giáo viên phản biện 1


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2
  
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2010

Giáo viên phản biện 2


MỤC LỤC
 
Tóm tắt đề tài ............................................................................................Trang 1
Phần mở đầu ......................................................................................................2
1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................2
2. Mục đích của đề tài .....................................................................................3
3. Giới hạn của đề tài .......................................................................................3
4. Phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài ..............................................3
5. Các bước thực hiện đề tài ............................................................................4
6. Các thuật ngữ quan trọng trong đề tài ..........................................................4
Phần nội dung ....................................................................................................5
Chương 1: Lý thuyết tổng quan .....................................................................5
1.1. Chuyển động của điện tích trong điện trường và từ trường ..................5
1.2. Chuyển động của electron trong nguyên tử đặt vào từ trường ngoài ...12
1.3. Tương tác giữa tia điện tử và mẫu ......................................................16
1.4. Vận tốc và bước sóng electron ...........................................................18
1.5. Các định luật quang điện ....................................................................20
1.6. Lưỡng tính sóng hạt của các hạt vi mô ...............................................21
1.7. Giả thuyết De Broglie ........................................................................21
1.8. Nam châm điện ..................................................................................23
1.9. Thấu kính từ .......................................................................................24
1.10. Súng phóng điện tử ..........................................................................27
1.11. Các khẩu độ ......................................................................................31
1.12. Hệ hội tụ và tạo chùm tia song song .................................................31
1.13. Vật kính ............................................................................................32
1.14. Thấu kính nhiễu xạ ...........................................................................32
1.15. Thấu kính phóng đại .........................................................................32

1.16. Sự tạo ảnh trong kính hiển vi điện tử ...............................................32
1.17. Bộ phận ghi nhận và quan sát ảnh ....................................................32
1.18. Nhiễu xạ điện tử ...............................................................................33
1.19. Tán xạ ..............................................................................................37
1.20. Một số phép phân tích đi kèm trong kính hiển vi điện tử .................38


Chương 2: Kính hiển vi điện tử ...................................................................43
2.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................................43
2.1.1. Lược sử về SEM ...........................................................................43
2.1.2. Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM .............................44
2.1.3. Những cải tiến mới của SEM ........................................................47
2.1.4. Chu trình làm ẩm và làm khô ........................................................49
2.1.5. Mẫu chuẩn bị ................................................................................50
2.1.6. Quan sát ảnh qua SEM ..................................................................52
2.1.7. Ưu và nhược điểm của SEM .........................................................52
2.1.8. Một số hình ảnh quan sát được qua SEM ......................................53
2.1.9. Tiến trình thực hiện quan sát mẫu qua SEM .................................54
2.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..................................................63
2.2.1. Lược sử về TEM ...........................................................................64
2.2.2. Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong TEM ............................66
2.2.3. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao ...........................69
2.2.4. Xử lý mẫu cho phép đo trong TEM ..............................................71
2.2.5. Các khả năng của TEM .................................................................71
2.2.6. Chuẩn bị mẫu ................................................................................72
2.2.7. Ưu và nhược điểm của TEM .........................................................78
2.2.8. Một số hình ảnh quan sát được qua TEM .....................................79
2.3. So sánh kính hiển vi quang học, TEM và SEM ......................................82
2.3.1. So sánh OM, TEM và SEM ..........................................................82
2.3.2. So sánh TEM và SEM ...................................................................85

Phần ứng dụng .................................................................................................90
Phần kết luận .................................................................................................103
Phần phụ lục ..................................................................................................104
 Kính hiển vi điện tử quét có độ phân giải cao Hitachi S – 4800
Type II .............................................................................................................104
* Đặc tính mới ......................................................................................104
* Thông số kỹ thuật ..............................................................................105
 SEM tại phòng thí nghiệm chuyên sâu trường Đại học Cần Thơ ............109
Tài liệu tham khảo


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

TÓM TẮT ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài: “Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y – sinh học”.
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

SVTH: Tăng Mỹ Linh
MSSV: 1060134

Luận văn được chia làm 5 phần:
Phần mở đầu: gồm 3 trang giới thiệu về đề tài: lý do chọn đề tài, mục đích của
đề tài, giới hạn đề tài, phương pháp và phương tiện thực hiện, các bước thực
hiện, các thuật ngữ quan trọng của đề tài.
Phần nội dung: gồm 108 trang được trình bày từ trang 5 đến trang 112. Phần nội
dung gồm 4 chương:
Chương 1: Lý thuyết tổng quan. Trong chương 1 trình bày những lý thuyết cơ
bản mà các nhà khoa học dựa vào đó để thiết lập nên mô hình kính hiển vi điện

tử.
Chương 2: Kính hiển vi điện tử. Chương 2 tập trung tìm hiểu hai loại kính
hiển vi điện tử hiện đại, phổ biến hiện nay là: kính hiển vi điện tử quét (SEM) và
kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Mỗi loại kính hiển vi điện tử đều trình
bày những nội dung cơ bản sau: lịch sử ra đời, sơ đồ cấu tạo, nguyên lý hoạt
động, quy trình chuẩn bị mẫu và hình ảnh quan sát được. Bên cạnh đó, chương
còn có bảng so sánh kính hiển vi quang học, SEM, TEM giúp người đọc có cái
nhìn tổng quan về thế giới kính hiển vi, những ưu điểm và nhược điểm của từng
loại.
Phần ứng dụng: Phần này trình bày những ứng dụng cơ bản của kính hiển vi
điện tử trong lĩnh vực y – sinh học đồng thời đưa ra một ví dụ điển hình về vai
trò của kính hiển vi điện tử trong việc phát hiện virus gây bệnh cúm. Bên cạnh
đó, tôi còn trình bày hình ảnh một số virus, vi trùng, mẫu sinh học,…qua kính
hiển vi điện tử.
Phần kết luận: được trình bày trong 1 trang. Đây là phần tổng kết quá trình thực
hiện đề tài và các kết quả thu được.
Phần phụ lục: gồm những hình ảnh thu thập được qua chuyến thực tế tìm hiểu
kính hiển vi điện tử quét ở phòng thí nghiệm chuyên sâu Trường Đại học Cần
Thơ.
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 1

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật lý học là một ngành khoa học nghiên cứu về các quy luật chuyển động của
tự nhiên từ mức độ vi mô (các hạt cấu tạo nên vật chất) đến mức độ vĩ mô (thiên
hà, vũ trụ,…). Vật lý học ra đời đã tạo nên một bước tiến vượt bậc trong hành
trình chinh phục thiên nhiên của nhân loại. Những thành tựu của Vật lý học được
ứng dụng rộng rãi và có ảnh hưởng sâu sắc đến mọi hoạt động của con người và
xã hội.
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, nhu cầu của con
người ngày một nâng cao. Ban đầu, với ước mơ thấy được những vật có kích
thước nhỏ mà mắt thường khó quan sát rõ, người ta đã chế tạo ra kính lúp. Đây là
một thấu kính hội tụ thường được dùng để khuếch đại hình ảnh. Kính thường
phục vụ trong việc đọc chữ hay quan sát các vật thể nhỏ và dùng trong các thí
nghiệm khoa học đơn giản ở các trường học. Ưu điểm của kính lúp là gọn, nhẹ,
dễ sử dụng nhưng nó không thể giúp người ta quan sát những vật nhỏ bé như tế
bào, sợi tóc,…Vì thế một phát minh mới ra đời, đó là kính hiển vi quang học.
Kính hiển vi quang học là thiết bị dùng để quan sát các vật thể có kích thước nhỏ
mà mắt thường không thể quan sát được bằng cách sử dụng ánh sáng chiếu qua
vật tạo ra các hình ảnh phóng đại của vật thể đó thông qua các thấu kính quang
học. Do sử dụng ánh sáng khả kiến nên độ phân giải của kính hiển vi quang học
bị giới hạn bởi bước sóng của ánh sáng khả kiến và không thể quan sát những vật
có kích thước rất nhỏ. Từ những năm 80 của thế kỷ XIX, kính hiển vi quang học
ngày càng hoàn thiện và định hình. Người ta có thể quan sát những vật có kích
thước hàng trăm nanomet qua kính hiển vi quang học. Thế nhưng, với những vật
thể ở kích cỡ nanomet thì kính hiển vi quang học cũng đành “bó tay”. Dù hiện
nay người ta đã sáng tạo ra rất nhiều kính hiển vi quang học hiện đại được gắn
thêm các bộ phận chụp ảnh như phim quang học, quay phim trực tiếp, chụp ảnh
kỹ thuật số,…nhưng hạn chế đó vẫn không thể khắc phục.
Chính những nhược điểm của kính hiển vi quang học cùng với sự tiến bộ của
khoa học kỹ thuật, con người đã tìm tòi và sáng tạo ra một loại kính hiện đại hơn

đó là kính hiển vi điện tử. Từ khi kính hiển vi điện tử xuất hiện, nó đã trở thành
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 2

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

một thiết bị vô cùng quan trọng dùng để nghiên cứu cấu trúc, vi cấu trúc của vật
chất và được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực: khoa học vật liệu, vật lý chất
rắn, hóa học, công nghệ,…mà đặc biệt là trong hai lĩnh vực: y học và sinh học.
Có thể nói đây là hai lĩnh vực mà kính hiển vi điện tử đã thể hiện tầm quan trọng
của mình rõ nhất.
Với tinh thần học hỏi, mong muốn được vận dụng và nâng cao những kiến
thức Vật lý đã học để tìm hiểu về kính hiển vi điện tử cũng như vai trò của nó
trong hai lĩnh vực nói trên, tôi quyết định chọn đề tài “ Kính hiển vi điện tử ứng
dụng trong y – sinh học ” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của tôi. Tôi tin rằng đề
tài này không chỉ giúp tôi mở mang kiến thức mà còn cho chúng ta một niềm tin
về một tương lai không xa sẽ có những thiết bị còn hiện đại hơn cả kính hiển vi
điện tử ra đời.
2. Mục đích của đề tài
Đề tài này xây dựng nhằm trả lời hai câu hỏi: “Kính hiển vi điện tử được thiết
lập dựa trên những cơ sở Vật lý nào ?” và “Kính hiển vi điện tử có những ứng
dụng gì trong lĩnh vực y học và sinh học ?” .
3. Giới hạn của đề tài
Kính hiển vi điện tử được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và

đời sống. Việc đi sâu nghiên cứu đề tài cần rất nhiều thời gian và công sức. Bên
cạnh đó, thiết bị này rất đắt tiền nên hiện tại nó không phổ biến ở nước ta. Tại
phòng thí nghiệm chuyên sâu của trường Đại học Cần Thơ có trang bị kính hiển
vi điện tử quét, thế nhưng do mức độ quan trọng của nó, tôi không thể sử dụng
khi chưa có sự chấp thuận của nhân viên phụ trách. Do đó, tôi không có cơ hội
tìm hiểu trực quan từng bộ phận bên trong của thiết bị cũng như không thể thành
thạo các thao tác vận dụng. Vì những hạn chế trên, đề tài của tôi chỉ dừng lại ở
mức độ tìm hiểu mang tính lý thuyết nhiều hơn tính vận dụng.
4. Phƣơng pháp và phƣơng tiện thực hiện đề tài
- Phương pháp: * thu thập, chọn lọc và hệ thống hóa thông tin thu được.
* đi thực tế để quan sát trực quan các thiết bị cũng như có cơ hội
trao đổi kiến thức, kỹ năng với các cán bộ phụ trách thiết bị để mở mang thêm
kiến thức nhằm có thêm tư liệu cho đề tài.

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 3

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

- Phương tiện: các nguồn sách báo về kiến thức Vật lý, các tài liệu từ Internet,
thiết bị trực quan, máy vi tính,…
5. Các bƣớc thực hiện đề tài
- Nhận đề tài.
- Tìm hiểu sơ lược để có cái nhìn tổng quan về đề tài từ đó định hướng hướng

nghiên cứu đề tài.
- Thu thập, chọn lọc thông tin và lập đề cương chi tiết cho đề tài.
- Tiến hành viết nội dung cụ thể.
- Tiếp thu ý kiến của Giáo viên hướng dẫn để hoàn thiện luận văn.
- Viết tóm tắt đề tài.
- Nộp đề tài cho Giáo viên hướng dẫn và Giáo viên phản biện.
- Báo cáo luận văn.
6. Các thuật ngữ quan trọng trong đề tài
OM = Optical Microscope = Kính hiển vi quang học
EM = Electron Microscope = Kính hiển vi điện tử
TEM = Transmission Electron Microscope = Kính hiển vi điện tử truyền qua
SEM = Scanning Electron Microscope= Kính hiển vi điện tử quét
Electron Auger Spectroscopy = Phổ Auger
EDS hay EDX =Energy Dispersive X-ray Spectroscopy= Phổ tán sắc năng lượng
EELS = Electron Energy Loss Spectrum = Phổ tổn hao năng lượng điện tử
Magnetic lens = Thấu kính từ
Detector = Máy dò
Electon gun: súng phóng điện tử
Vacuum column: cột chân không
Condensing lens: hệ thấu kính hội tụ
Scan coils: cuộn quét
Objective lens: vật kính
Secondary electrons: điện tử thứ cấp
Backscattered electron: điện tử tán xạ ngược
Transmitted electron: điện tử truyền qua

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 4

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

PHẦN NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1. Chuyển động của điện tích trong điện trƣờng và từ trƣờng
1.1.1. Chuyển động của điện tích trong tĩnh điện trường




Lực tác dụng lên điện tích e là: F  eE  egrad


dv
Phương trình chuyển động của điện tích là: m  eE  egrad
dt

 dr
Nhân hai vế phương trình (1) với v  , ta được:
dt


dv 
dr
m v  egrad

dt
dt
2
d mv
d
(
)  e
dt 2
dt
2
d mv
(
 e )  0
dt 2

Vậy:

(1)

mv2
 e  const
2

Phương trình trên diễn tả định luật bảo toàn năng lượng đối với chuyển
động của hạt. Số hạng thứ nhất là động năng của hạt, số hạng thứ hai là thế năng
tương tác giữa hạt và điện trường.



Xét một điện tích e chuyển động trong tĩnh điện đều E . Chọn trục Oy theo



phương của E và giả sử ở thời điểm t = 0, điện tích nằm tại gốc tọa độ O và có


vận tốc ban đầu v0 nằm trong mặt phẳng xOy. Như thế điện tích chỉ chuyển động
trong mặt phẳng xOy.
Chiếu phương trình chuyển động (1) xuống các trục x và y:
mx  0

(3)

my  eE (4)

Lấy tích phân hai lần đối với thời gian, ta được:
x  v0 xt
y

eE 2
t  v0 yt
2m

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 5

SVTH: Tăng Mỹ Linh

Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Khử t khỏi hai phương trình trên, ta có phương trình quỹ đạo như sau:
y

eE
x 2  (tg ).x
2m(v0 cos  ) 2

(5)

trong đó θ là góc giữa vận tốc ban đầu v0 và trục x.
Vậy quỹ đạo của hạt là một đường parabol.
1.1.2. Chuyển động của điện tích trong từ trường đều

 
 
* B  const, E  0, v  B :






Lực tác dụng lên điện tích: F  e.(v  B)
 

- Phương: thẳng góc với mặt phẳng (v , B)

  

- Chiều: sao cho (v , B, F ) tạo thành tam diện thuận khi e >0
- Độ lớn: F = evBsinα = evB
Phương trình chuyển động:

 
dv
 e( v  B )
dt

m

(6)


Nhân hai vế với v , ta có:

  
dv 
m v  e( v  B ) v  0
dt
d mv2
(
)0
dt 2

Hay

mv2

 const; v 2  const
2

Vậy từ trường không làm thay đổi động năng và độ lớn vận tốc của hạt.



Xét một điện tích e chuyển động trong từ trường không đổi B và chọn trục



Oz theo phương của B . Chiếu phương trình chuyển động (6) xuống các trục tọa
độ, ta có :
x 

eB
y
m

y  
z  0

eB
x
m

(7)
(8)
(9)

Phương trình (9) chứng tỏ từ trường không làm ảnh hưởng gì đến chuyển
động của hạt theo phương Oz (phương của từ trường). Theo phương này, hạt
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 6

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

chuyển động theo quán tính như là không có trường. Lấy tích phân hai lần (9)
theo thời gian, ta có :
z  z0  vzt

Đặt 0 

( v z là vận tốc của hạt theo phương z)

eB
, nhân (8) với số ảo i và cộng từng vế với (7), ta được:
m

x  iy  i0 ( x  iy )

Hay :

d

( x  iy )  i0 ( x  iy )
dt

Do đó : x  iy  a.ei t trong đó a là một hằng số phức.
0

Đặt a  v0ei trong đó v0 là một hằng số thực. Ta có:
x  iy  v0ei (0t  )  v0 cos(0t   )  i sin(0t   )

Tách phần thực và phần ảo, ta được:
x  v0 cos(0t   )

(10)

y  v0 sin(0t   )

(11)

Từ (10) và (11), ta có:
v0  x 2  y 2  vx2  v y2

Vậy v0 mà ta chọn ở trên chính là thành phần vận tốc trong mặt phẳng xOy
(tức là thành phần vận tốc vuông góc với phương của trường). Lấy tích phân (10)
và (11), ta được:
x  x0 
y  y0 

v0

sin(0t   )

(12)

v0

cos(0t   )

(13)

0
0

Như vậy chuyển động của hạt theo các phương x và y là chuyển động điều
eB
và pha ban đầu bằng α. Khử t khỏi (12) và (13),
m

hòa với tần số góc bằng 0 

ta có phương trình quỹ đạo của hạt trên mặt xOy:
( x  x0 ) 2  ( y  y0 ) 2 

v02



2
0

 R2

Từ phương trình trên ta thấy rằng quỹ đạo đó là một đường tròn và tần số
góc 0 gọi là tần số Cyclotron: 0 
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

e
B
m
Trang 7

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Như vậy khi điện tích chuyển động theo phương


B
thẳng góc với
trong từ trường đều thì nó sẽ chuyển
động tròn đều với bán kính và chu kỳ hoàn toàn xác
định.
Trong trường hợp 2 hạt mang điện giống nhau có



vận tốc khác nhau chuyển động thẳng góc với B và

cùng xuất phát từ một điểm M thì sau khi chuyển động được một vòng với cùng
một khoảng thời gian, chúng sẽ gặp lại nhau tại M như hình vẽ.


 

* B  const, E  0, v không vuông góc với B






Lực tác dụng lên điện tích: F  e.(v  B)
 

- Phương: thẳng góc với mặt phẳng (v , B)
  

- Chiều: sao cho (v , B, F ) tạo thành tam diện
thuận khi e > 0
- Độ lớn: F = evBsinα






Mặt khác: v  v//  v



 
 
 

 F  ev  B  e(v//  v )  B  ev  B  F

Lực F này làm cho hạt chuyển động tròn trên



mặt phẳng thẳng góc với B
Bán kính quỹ đạo : R 

Chu kỳ : T 

v
v sin 

e
e
B
B
m
m

2R 2

e
v

B
m





Lực F// trên phương B làm
hạt chuyển động đều theo
quán tính với vận tốc ban đầu
v0  v//  v cos 

Như vậy chuyển động tổng
hợp của hạt là đường xoắn ốc

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 8

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học



hình trụ có trục song song với B .
Bước xoắn: l  v//T  v cos 

2
e
B
m

* Như vậy nếu vận tốc của hạt không có thành phần song song với từ
trường ( v z =0), nó chỉ chuyển động tròn trên mặt phẳng vuông góc với trường.
Nếu vận tốc có thành phần song song với trường ( vz  0 ), ngoài chuyển động nói
trên, hạt còn tịnh tiến theo phương của trường với vận tốc không đổi vz  const .
Quỹ đạo của hạt là một đường xoắn ốc trên một mặt trụ có bán kính
R

v0

0



v0 m
và trục song song với phương của trường.
eB

1.1.3. Sự lệch của hạt trong điện trường và từ trường




1.1.3.1. Trong điện trường ( E  0, B  0)



Giả sử hạt mang điện tích e>0, khối lượng m chuyển động với vận tốc v0
trong điện trường đều (hướng từ dưới lên) của một tụ điện. Tụ điện có chiều
dài l1 . Sau đó hạt chuyển động tự do một đoạn l2 rồi đến màn.
Chọn Ez  Ex  0; Ey  E

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 9

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Phương trình chuyển động của hạt: m



dv
 eE
dt

dvx
 eE x  0  vx  v0
dt

Trên Ox: m

Hạt chuyển động đều theo quán tính trên phương Ox: x  v0t
dv y

Trên Oy: m

dt

 eE  v y 

eE
eE
t  v0 y 
t
m
m

Hạt chuyển động nhanh dần đều theo phương Oy:
y   v y dt 

1 eE 2
t
2 m

Thời gian chuyển động trong điện trường: t1 
Độ lệch của hạt trong điện trường: y1 

l1
v0

1 eE 2 1 eE l12
t1 
2 m
2 m v02

Vận tốc theo phương y của hạt khi vừa ra khỏi tụ là: v1 y 
Góc lệch của hạt: tg 

eE l1
m v0

v1 y v1 y

v1x v0

Sau khi ra khỏi tụ hạt tiếp tục chuyển động theo quán tính:
x  v0t
y  v1 yt

Khi đến màn: x  l2  t  t2 

l2
v0

Độ lệch lúc sau của hạt: y2  v1 yt2 
Vậy độ lệch của hạt: y  y1  y2 

eE l1 l2
m v0 v0

eE l1 l1
(  l2 ) (14)
m v02 2

Góc lệch của hạt so với phương ban đầu: tg 

e l1
E
(15)
m v02

l
2


1.1.3.2. Trong từ trường ( E  0, B  0)

Từ (14) và (15) ta được biểu thức: y  tg ( 1  l2 )

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 10

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học



Giả sử hạt mang điện tích e >0 khối lượng m chuyển động với vận tốc v0



theo phương Ox trong từ trường cảm ứng từ B đều hướng từ ngoài vào
 
( B  v0 ) ,bề rộng vùng có từ trường là l1 , sau đó hạt chuyển động tự do một đoạn

l2 rồi đập vào màn.






Lực tác dụng lên hạt mang điện: f  e.(v  B)
 

- Phương: thẳng góc với mặt phẳng (v , B)
  

- Chiều: sao cho (v , B, f ) tạo thành tam diện thuận.
- Độ lớn: f = evBsinα = evB

dv 
Phương trình chuyển động của hạt: m  f
dt

Trên Ox: m

dvx
 f x  0  vx  v0
dt

Hạt mang điện chuyển động đều theo phương Ox: x  v0t

Trên Oy: m

dv y
dt

 f y  evB  v y 

e
v0 B.t
m

Hạt chuyển động nhanh dần đều theo phương Oy: y 
Thời gian chuyển động trong từ trường: t1 

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

1 e
v0 B.t 2
2m

l1
v0

Trang 11

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp
Độ lệch: y  y1 

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

1 e
l 2 1 e l12
v0 B 12 
B
2m
v0 2 m v0

Vận tốc hạt ngay sau khi ra khỏi từ trường: v1 y 

e
l
e
v0 B 1  Bl1
m
v0 m

Sau khi ra khỏi từ trường hạt tiếp tục chuyển động đều theo quán tính.
Ta có:

tg 

v
y2 v1 y
e ll

 y2  1 y l2  B 1 2
l2
v0
v0
m v0

Vậy độ lệch của hạt: y  y1  y2 

e l1 l2
B (  l2 ) (16)
m v0 2

Góc lệch của hạt so với phương ban đầu: tg 

e l1
(17)
B
m v0

Từ (16) và (17) ta được phương trình:
l
y  tg ( 1  l2 )
2

1.2. Chuyển động của electron trong nguyên tử đặt vào từ trƣờng ngoài
1.2.1. Ảnh hưởng của từ trường ngoài lên dao động và bức xạ của
nguyên tử
Xét một nguyên tử đơn giản gồm hạt nhân và một electron có khối lượng
bằng m. Theo thuyết cổ điển, nguyên tử bức xạ được coi như một dao động tử
điều hòa: điện tích âm dao động xung quanh điện tích dương đặt ở gốc tọa độ.


Gọi r là bán kính vectơ của electron, phương trình dao động của nó có dạng:
 

r  r0 cos 0t  r0ei0t

trong đó 0 là tần số dao động của electron, và cũng chính là tần số bức xạ.


Có thể coi như electron dao động dưới tác dụng của một lực đàn hồi F :


F  m02 r




Phương trình chuyển động của electron là: mr  m02r (18)
Ở đây ta không xét đến lực hãm vì nó không làm ảnh hưởng đến tần số bức
xạ.


Đặt nguyên tử vào từ trường ngoài đều và không đổi B , chọn trục Oz theo



B
phương của . Bây giờ ngoài lực đàn hồi F , electron còn chịu thêm lực
Lorenxơ của từ trường:
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 12

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

 


 
Fm  e0 r , B

trong đó e0 là độ lớn điện tích electron ( e0 >0). Phương trình chuyển động bây giờ
là:

r , B 
  0




mr  m02 r  e0

r   2 r  e0 r , B
0
m

(19)

Chiếu phương trình (19) xuống các tọa độ:
e0 B
y  0
m
eB
y  02 y  0 x  0
m
z  0 z  0
x  02 x 

Đặt L 

e0 B
, ta được:
2m

x  02 x  2L y  0

(20)

y  02 y  2L x  0

(21)

z  0 z  0

(22)

Nghiệm của phương trình (22) là: z  z0ei t
0

Như vậy từ trường ngoài không ảnh hưởng gì đến dao động của electron
theo phương của trục z. Theo phương song song của từ trường ngoài, nguyên tử
vẫn bức xạ với tần số 0 như khi chưa có từ trường ngoài.
Ta sẽ tìm nghiệm của x và y dưới dạng :
x  x0eit
y  y0eit

Thay các nghiệm này vào phương trình (20), (21) ta được:
(02   2 ).x0  2iL. y0  0
 2iL.x 0 (02   2 ). y0  0

Để cho cặp phương trình trên có x0  0 và y0  0 (để cho x0  0 và y0  0 ),
định thức của nó phải bằng 0, tức là:
(02   2 ) 2  (2 L ) 2  0

02   2  2 L
  L  02  L2
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 13

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Vì L  0 nên:
  L  0

Vì  phải dương nên:   0  L
Vậy, ta có:
x  x0 exp i (0  L )t
y  y0 exp i (0  L )t

Vậy theo những phương vuông góc với từ trường ngoài, nguyên tử bức xạ theo
hai tần số:
1  0  L
2  0  L

Khoảng cách giữa hai vạch bức xạ là:
  2L 

e0 B
m

Hiện tượng trên gọi là hiệu ứng Zimann và tần số  L gọi là tần số Lacmor.
1.2.2. Chuyển động tiến động của electron
Xét một nguyên tử đơn giản gồm hạt nhân ở gốc tọa độ và một electron


quay quanh hạt nhân với vận tốc dài bằng v . Momen xung lượng của electron là:

 
L  mr , v 

(23)

Momen từ của electron là:

I  
1  
M   r , dr    r , v dV
2
2


Ở đây ta đã thay Idr bằng v .dV và  có giá trị âm.

Trong nguyên tử chỉ có một electron nên không có dòng điện chảy liên tục,
vì thế cường độ dòng điện I là một lượng lấy trung bình theo thời gian. Do đó,
 
 và r , v  cũng là những lượng đã trung bình hóa. Chúng không phụ thuộc tọa

độ và có thể đưa ra ngoài dấu tích phân. Do đó:
 1  
e  
M  r , v   dV   0 r , v  (24)
2
2



So sánh phương trình (23) với (24) ta có: M  

e0 
L
2m

Vậy momen xung lượng và momen từ của electron là hai vectơ cùng giá và
ngược chiều.
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 14

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Nếu nguyên tử có nhiều electron, mỗi electron đều có momen xung lượng




và momen từ bằng Li và M i . Khi đó momen xung lượng và momen từ của toàn
bộ nguyên tử là:



L   Li
i



M   Mi
i



Và ta vẫn có: M  

e0 
L
2m



Đặt nguyên tử vào từ trường ngoài B và chọn trục Oz trùng phương với B .
Momen lực tác dụng lên nguyên tử là:




 
N  M,B



Vì nguyên tử còn có momen xung lượng nên nó sẽ chuyển động tiến động

như một con quay hồi phục.
Phương trình chuyển động của cọn quay hồi phục này là:


 
dL 
e0    e0 B    
 N  M,B  
L, B  
L   L , L
dt
2m
 2m 





 





(25)





Trong đó  L là một vectơ cùng phương và chiều với từ trường B và có độ
lớn bằng tần số Lacmor L 

e0 B
2m

Biết rằng phương trình chuyển động của một vật rắn quay quanh một trục


cố định với vận tốc góc  là:

 
dr
  , r 
dt

(26)



So sánh phương trình (25) với (26), ta thấy vectơ L quay quanh phương
của từ trường với vận tốc góc bằng tần số Lacmor. Như vậy, quỹ đạo cũ của
electron (khi chưa có từ trường ngoài) quay quanh trục Oz với vận tốc góc bằng
L .

Như vậy khi đặt nguyên tử vào từ trường ngoài, mỗi electron của nó sẽ
tham gia đồng thời vào hai chuyển động: chuyển động quanh hạt nhân với vận
tốc góc bằng 0 và chuyển động quanh phương của từ trường với vận tốc góc

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 15

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

bằng  L . Chuyển động của electron như vậy gọi là sự tiến động Lacmor. Tất cả
các electron đều tiến động với cùng một vận tốc góc  L và theo cùng một chiều.
Khi chiếu chuyển động của electron xuống
trục z, ta thấy electron vẫn dao động với tần số 0
như khi chưa có từ trường. Khi chiếu chuyển động
của electron xuống mặt xOy, ta thấy tần số quay
của electron bị thay đổi khác trước một lượng bằng
 L . Tần số  L này cộng vào hoặc trừ đi với tần số

dao động cũ 0 của electron tùy theo chiều quay
cũ của electron là trùng hoặc trái với chiều quay
tiến động. Sự tiến động Lacmor của các electron
chính là nguyên nhân gây ra hiệu ứng Zimann ở phần trước.
1.3. Tƣơng tác giữa tia điện tử và mẫu (vật rắn)
Trong kính hiển vi điện tử quét, người ta cho một chùm tia electron không
đi xuyên qua mẫu nghiên cứu mà quét lên bề mặt mẫu. Trước khi xem xét cách
tạo ảnh khuếch đại bằng phương pháp quét ta tìm hiểu những điều xảy ra khi
chiếu tia điện tử vào bề mặt vật rắn.
Bề mặt vật rắn xét đến kích thước cỡ nguyên tử thực sự là một lớp thưa,
xốp, gồm các nguyên tử liên kết với nhau chặt chẽ nhưng cách nhau. Khoảng

cách giữa hai nguyên tử gần nhau nhất vào cỡ 0,3 - 0,4 nanomet. Nguyên tử lại
gồm hạt nhân nhỏ mang điện tích dương và các electron chuyển động xung
quanh tạo thành những đám mây electron bao quanh hạt nhân như hình vẽ.

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 16

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Tùy loại nguyên tử, kích thước của đám mây electron vào cỡ 0,01 nm tức là
nhỏ hơn nhiều lần khoảng cách giữa hai nguyên tử trong vật rắn. Vì vậy, khi
chùm electron chiếu vào vật rắn, chúng như là những viên đạn va chạm với
electron và với hạt nhân của mẫu. Không phải electron tới chỉ va chạm với các
nguyên tử ở ngay trên cùng mà đi sâu vào trong va chạm với các nguyên tử ở các
lớp dưới. Khi điện thế tăng tốc cho electron vào khoảng từ 5 đến 30 KV, tức là
electron có năng lượng từ 5 đến 30 KeV qua hệ thống thấu kính điện từ, chùm
electron được điều chỉnh tạo thành một chùm tia hẹp quét lên bề mặt mẫu trên
một diện tích nhỏ cỡ 10 nm. Ta có thể hình dung electron đi vào, va chạm với
các nguyên tử mẫu và lệch qua lệch lại, tốc độ giảm dần đi, vùng không gian mà
electron đi zíc zắc như là một quả lê, thể tích nhỏ hơn 1μm3. Có nhiều quá trình
xảy ra trong quả lê đó, ta xét một thí dụ liên quan đến các hạt, các sóng từ quả lê
thoát ra ngoài.

Từ lớp có bề dày cỡ 0,5 nm có các điện tử năng lượng thấp, khoảng dưới

vài chục eV thoát ra. Đây là một phần các điện tử sinh ra do điện tử va chạm với
lớp vỏ điện tử của các nguyên tử bị bắn phá. Các điện tử có năng lượng nhỏ vào
cỡ này được gọi là điện tử thứ cấp. Chúng có thể sinh ra ở các lớp dưới, sâu hơn
nhưng vì năng lượng thấp sẽ bị hấp thụ không thoát ra khỏi bề mặt được, chỉ có
từ lớp rất mỏng cỡ 0,5 nm mới thoát ra được.
Từ lớp có bề dày lớn hơn, cỡ 10 nm có các điện tử năng lượng cao, xấp xỉ
năng lượng điện tử tới, thoát ra khỏi bề mặt. Người ta gọi đây là điện tử tán xạ
ngược vì giống như điện tử tới bị quay ngược trở lại sau khi đi vào vật rắn.
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 17

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Từ trong cả thể tích của quả lê có thể có tia X thoát ra khỏi bề mặt. Tia X
sinh ra do điện tử tới va chạm làm bật điện tử ở các lớp vỏ điện tử gần sát hạt
nhân. Khi điện tử ở lớp trong bị bật ra ngoài, điện tử ở ngoài lại nhảy vào trong
để lấp chỗ trống và quá trình này phát sinh ra tia X. Tia X là sóng điện từ, dễ đi
vào trong vật rắn hơn điện tử, nên từ dưới sâu cỡ micromet vẫn thoát ra ngoài
được.
Trên đây chỉ là ví dụ, từ chỗ tia điện tử chiếu vào bề mặt vật rắn còn có thể
có tia hồng ngoại, ánh sáng, các loại điện tử khác,…Điều cơ bản người ta quan
tâm ở đây là mỗi loại điện tử, mỗi loại tia mang một số thông tin nhất định về bề
mặt nghiên cứu, ở chỗ mà tia điện tử chiếu vào.

1.4. Vận tốc và bƣớc sóng electron
Electron có khối lượng m chuyển động với vận tốc v thì có bước sóng là:


h
mv

(*)

Electron chuyển động dưới tác dụng của điện trường có hiệu điện thế V thì
nó có động năng là:

1 2
mv  eV (e = 1,6.10-19 C)
2

Do đó vận tốc electron: v 

2eV
m

Khi đó: v  0,593.108. V

(cm/s)

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 18

(**)

SVTH: Tăng Mỹ Linh