Thema: Ablenkung im TEM & REM - physikalisch erklärt? - "Elektronenmikroskop"

Hallo,
ich beschäftige mich zurzeit mit den Elektronenmikroskopen!
Nun soll ich für Physik (Jahrgangsstufe 1; G8; BW) eine Erklärung finden, wodurch und warum die Elektronen im TEM und REM abgelenkt werden!
TEM: Transmissionselektronenmikroskop
REM: Rasterelektronenmikroskop

Entscheidend ist, eine Erklärung für die ganzen Strahlen, und wodurch es zu diesen Ablenkungen kommt, z.B. Rückstrahlung, Sekundärstrahlung etc. zu finden und diese zu erklären.
Außerdem sollte erklärt werden, wie es zu solchen Elektronenbahnen kommt und warum es genau diese sind.
Nicht zu vergessen sind die ganzen Streuungen.

Es wäre nett, wenn mir irgendjemand dies erklären könnte oder mir gegebenenfalls passende Seiten nennen könnte, auf denen ich fündig werde.
P.S. Ich habe bereits über 4 Stunden in die Suche investiert, konnta aber bis jetzt KEINE Erklärungen finden, SONDERN auschschließlich "Bestättigungen", dass dort eine Ablenkung etc. stattfindet. Stichwort Elektronenoptik

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Zur Verdeutlichung des Problems:
http://www.tu-chemnitz.de/physik/AFK...aktika/TEM.pdf

Habe ich das richtig verstanden, dass deine Frage ist, wie man magnetische Linsen realisiert?
Diese realisiert man, wie der Name schon sagt durch magnetische Felder.

Ich fange mal beim TEM an.
Man hat eine Elektronenquelle (glühdraht, Photoelektronen, ...). Die freigesetzten Elektronen müssen nun beschleunigt werden. Dies macht man am besten indem man eine äußere Spannung anlegt und so die Elektronen auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt. Der Elektronenstrahl divergiert in verschiedenen Richtungen. Für die weitere Verwendung möchte man gerne gerichtete parallele Strahlen haben, so dass das zu untersuchende Objekt (häufig irgendein Kristall) möglichst homogen von den Elektronenstrahlen durchstrahlt wird. Der Hintergrund ist, dass die Berechnungen, die man hinterher anstellen muss am einfachsten werden, wenn homogene parallele Strahlen auf das Objekt einfallen. Formeln wie das kirchhoffsche Beugungsintegral basieren nämlich auf den senkrechten Einfall paralleler Strahlen. In dem von dir geschickten pdf-Dokument ist eine gute Abbildung dazu. Ich meine die Abbildung auf der Seite 2 und davon das linke Bild. Ich habe gerade den Bereich zwischen der Quelle und dem Objekt beschrieben. Das Ziel ist es hier parallele Strahlen zu erzeugen. In Analogie zur Lichtoptik sagt man, dass man eine Linse einsetzen muss. Diese Linse muss bestimmte Eigenschaften haben. So muss die Quelle im Brennpunkt der Linse liegen. Der Brennpunkt ist ja so definiert, dass genau dann parallele Strahlen herauskommen. Elektronenstrahlen haben aber ein wenig andere Eigenschaften als Lichtstrahlen, die man sich zunutze machen kann. So sind Elektronen elektrisch geladen. Bewegte ladungen bauen ein Magnetfeld um sich auf und erfahren in einem Magnetfeld die Lorentzkraft. Das ist die Grundidee der magnetischen Linse.

Wie man das nun im einzelnen realisiert wird hier erklärt:
Magnetische Linsen

Man muss nun die Magnetfelder irgendwie derart dimensionieren, dass man eben quasi eine Linse mit besagten Eigenschaften erzeugt.

Anschließend fallen die parallelen Elektronenstrahlen senkrecht auf das zu untersuchende Objekt. Dort werden sie gebeugt. Handelt es sich bei dem Objekt um einen Kristall, befinden sich Atome auf festen Gitterplätzen. Jedes Atom fungiert als Streuzentrum, erzeugt also eine Kugelwelle. Die Kugelwellen aller Streuzentren überlagern sich, so dass sich ein für die Kristallstruktur charakteristisches Beugungsbild ergibt.
Anschließend möchte man dieses Beugungsbild auf einem Schirm abbilden. Das Linsensystem (bestehend aus zwei Linsen), welches man hinter dem zu untersuchenden Objekt vorfindet ist quasi ein Mikroskop. Würde man das Beugungsbild direkt abbilden, wäre es winzig klein. Deshalb vergrößert man es mit Hilfe zweier Linsen. Um zu erfahren wie das funktioniert, musst du einfach die Funktionsweise eines Mikroskops recherchieren. Bei diesen zwei Linsen handelt es sich wieder um magnetische Linsen und realisiert man genauso wie die Kondensorlinse.

Ich hoffe ich konnte helfen.

Hallo,
zuallererst einmal VIELEN DANK für deine Bemühungen!


Du hast also dieses "Cross over" erklärt!?!
Ich wollte aber vielmehr wissen, wie es zu dieser elastischen und unelastischen Strueung kommt.

Außerdem wollte ich eine Erklärung für diese entgegengesetzte Wellenform(2x die gleiche Form, aber gespiegelt - nicht ein Verlauf(Elektronenflugbahn)?):
Warum gibt es einen solchen Verlauf und wodurch kommt dieser zu Stande?

Melli1401

Hallo,
zuallererst einmal VIELEN DANK für deine Bemühungen!


Du hast also dieses "Cross over" erklärt!?!
Ich wollte aber vielmehr wissen, wie es zu dieser elastischen und unelastischen Strueung kommt.

Außerdem wollte ich eine Erklärung für diese entgegengesetzte Wellenform(2x die gleiche Form, aber gespiegelt - nicht ein Verlauf(Elektronenflugbahn)?):
Warum gibt es einen solchen Verlauf und wodurch kommt dieser zu Stande?

Heißt das du willst die entstehung des beugungsbildes erklärt haben?

Ich möchte gerne die Ablenkung in den magnetischen Elektronenlinsen erklärt haben!
Diese magnetischen Linsen lenken doch die Flugbahnen der Elektronen ab. Wie kommt es zu einer solchen Ablenkung und warum "fliegen" nicht alle Elektronen in einem Strahl, sondern auf einer Schraubenbahn und treffen dann wieder zusammen?

Melli1401

Ich möchte gerne die Ablenkung in den magnetischen Elektronenlinsen erklärt haben!
Diese magnetischen Linsen lenken doch die Flugbahnen der Elektronen ab. Wie kommt es zu einer solchen Ablenkung und warum "fliegen" nicht alle Elektronen in einem Strahl, sondern auf einer Schraubenbahn und treffen dann wieder zusammen?

Das hängt mit der Lorentzkraft zusammen.
Wie man nun genau magnetische Linsen realisiert wurde in diesem Link, welchen ich bereits gepostet habe, erklärt:
Magnetische Linsen

Falls du etwas in diesem Link nicht verstehst, kannst du es hier ruhig fragen. Dort sollte aber alles erklärt werden, was man zur Realisierung von magnetischen Linsen wissen muss.

Diese magnetischen Linsen werden doch ausschließlich zur Strahlenjustierung verwendet, oder?

Bei den Kondensorspulen eines Elektronenmikroskopes handelt es sich doch um / lange stromdurchflossene Spulen(Abb.1) /, oder?
Diese besitzt im Inneren ein homogenes Magnetfeld (unwichtig oder nicht???).

Falls dies nicht stimmt, um was für Kondensorspulen handelt es sich dann?

http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/11/cmt/sensoren/magnetismus/bilder/magnet_3.gifAbbildung 1: Lange stromdurchflossene Spule

Weiter im Text:
Es kommt zu Schraubenbahnen, wenn / ein Elektron schräg oder nicht senkrecht zur Magnetfeldrichtung eingeschossen wird(Abb. 2) / , oder?

Abbildung 2: Schraubenbahn




Abschließend noch eine Frage:
Warum treffen sich die Elektronen in einem Punkt wieder?

Melli1401

Diese magnetischen Linsen werden doch ausschließlich zur Strahlenjustierung verwendet, oder?

Ja

Bei den Kondensorspulen eines Elektronenmikroskopes handelt es sich doch um / lange stromdurchflossene Spulen(Abb.1) /, oder?
Diese besitzt im Inneren ein homogenes Magnetfeld (unwichtig oder nicht???).

Ja wobei das Feld im inneren der Spule nur näherungsweise konstant ist.

Weiter im Text:
Es kommt zu Schraubenbahnen, wenn / ein Elektron schräg oder nicht senkrecht zur Magnetfeldrichtung eingeschossen wird(Abb. 2) / , oder?

Ja

Abschließend noch eine Frage:[/U]
Warum treffen sich die Elektronen in einem Punkt wieder?

Im Anhang findest du eine Abbildung. Dort ist die Elektronenbahn zu sehen. Links tritt der Strahl in das Magnetfeld ein und rechts tritt er aus. Die Länge des Magnetfeldes kann wie in der Abbildung so gewählt werden, dass die steigung des austretenden strahls genau das entgegen gesetzte Vorzeichen der Steigung des eintretenden Strahls hat. Das kann man auch genau ausrechnen. Ich weiß nur nicht inwiefern du in den mathematischen Grundlagen involviert bist bzw. ob das verlangt wird.

Wenn nun mehrere strahlen, die auf der linken seite von einer punktförmigen quelle ausgehen, in das magnetfeld eintreten, so vereinigen sie sich auf der rechten seiten wieder in einem Punkt. Dies ist nämlich zwangsläufig der Fall, wenn die steigungen der austretenden strahlen das umgekehrte vorzeichen wie die steigungen der eintretenden strahlen haben, was unmittelbar nachvollziehbar sein sollte.

OmegaPirat

Ja
Im Anhang findest du eine Abbildung. Dort ist die Elektronenbahn zu sehen. Links tritt der Strahl in das Magnetfeld ein und rechts tritt er aus. Die Länge des Magnetfeldes kann wie in der Abbildung so gewählt werden, dass die steigung des austretenden strahls genau das entgegen gesetzte Vorzeichen der Steigung des eintretenden Strahls hat. Das kann man auch genau ausrechnen. Ich weiß nur nicht inwiefern du in den mathematischen Grundlagen involviert bist bzw. ob das verlangt wird.

Wenn nun mehrere strahlen, die auf der linken seite von einer punktförmigen quelle ausgehen, in das magnetfeld eintreten, so vereinigen sie sich auf der rechten seiten wieder in einem Punkt. Dies ist nämlich zwangsläufig der Fall, wenn die steigungen der austretenden strahlen das umgekehrte vorzeichen wie die steigungen der eintretenden strahlen haben, was unmittelbar nachvollziehbar sein sollte.

Könntest du das bitte nochmals erklären bzw. irgendwie anders darstellen???

Ich habe das im Anhang zu sehende Bild für den Strahlengang der Elektronen in dieser Spule. Wie sieht es dort aus? Die Steigung ist doch identisch, oder?

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Das untere Bild (Bild 2 im Anhang) zeigt ein TEM samt Strahlengang.
Wie sieht es an den folgenden Punkten aus bzw. was ist dort "verbaut":

1) Strahljustierung
2) Kondensorspulen
3) Objektivspulen
4) Projektivspulen

Wo sind Magnetische Linsen verbaut und was ist an den anderen Spulen?
Ist Nr. 1 die magnetische Linse, und 2-4 sind lange stromdurchflossene Spulen oder wie?

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EDIT:
Laut folgender Seite (Quelle) sind magnetische Linsen ja "Kurze Zylinderspulen".
Um was handelt es sich dann bei den obigen Nr. 1-4?

Ich weiß nicht wie ich es anders erklären sollte, weil ich habe dazu doch bereits alles dazu gesagt. Bei dem linken von den von dir verlinkten Bildern versteh ich nicht, wie die Elektronenbahn dort verlaufen soll.

Die Schraubenbahn auf der sich die Elektronen bewegen ist eine dreidimensionale Bewegung.
Mal angenommen das Magnetfeld sei in x-Richtung orientiert. Die eintretenden Elektronen haben eine Geschwindigkeitskomponente vx in x-richtung und vy in y-richtung.
Die Bewegung der Elektronen in z-Richtung ist für die Betrachtung der Funktion des Magnetfeldes als Linse irrelevant. Es interessiert nur die Bewegung in der xy-Ebene.
Man kann nachrechnen, dass die bahn im dreidimensionalen Raum pro Windung in der xy Ebene eine Periode der Sinusfunktion ist.
Wenn du also den Querschnitt durch die xy-Ebene betrachtest, erhälst du eine Bahn, die so aussieht wie in der angehängten Abbildung.
In der Abbildung habe ich den Bahnverlauf zweier Strahlen, die von einer Elektronenquelle ausgehen, eingezeichnet. Wie du siehst, schneiden sich diese Bahnen am Ende. Wie gesagt, musst du dabei beachten, dass die z-Komponente überall zu null gesetzt wurde, da diese für die Betrachtung unwichtig ist.
Man kann auch ausrechnen, dass der Verlauf einer Sinusfunktion entspricht. Zu beachten ist auch noch, dass die Bahnen außerhalb des Magnetfeldes in Geraden übergehen. Das Magnetfeld ist in x-Richtung orientiert.
In der zweiten Abbildung habe ich die Bahnen der vollständigkeithalber für drei Strahlen gezeichnet. Der dritte Strahl trifft am Ende die anderen beiden Strahlen genau im selben Punkt.

Jede Periode der Sinusfunktion in dieser zweidimensionalen Darstellung entspricht einer Schraubenwindung in der dreidimensionalen Darstellung.


Unsere bisherigen Betrachtungen bezogen sich auf homogene Magnetfelder. Mit inhomogenen Magnetfelder, werden die Betrachtungen deutlich schwieriger. Man kann damit aber bessere Linsen erzeugen. Kurze Spulen erzeugen stärker inhomogene Magnetfelder. Um das Prinzip der magnetischen Linse zu verstehen, reicht es aber aus dieses anhand des homogenen Magnetfeldes (d.h. lange Spulen) zu betrachtet.

Das untere Bild (Bild 2 im Anhang) zeigt ein TEM samt Strahlengang.
Wie sieht es an den folgenden Punkten aus bzw. was ist dort "verbaut":

1) Strahljustierung
2) Kondensorspulen
3) Objektivspulen
4) Projektivspulen

Wo sind Magnetische Linsen verbaut und was ist an den anderen Spulen?
Ist Nr. 1 die magnetische Linse, und 2-4 sind lange stromdurchflossene Spulen oder wie?

Die magnetischen Linsen bilden die Spulen 2 bis 4.
2 erzeugt einen parallelen Strahlengang. 3 und 4 fungieren zusammen als Mikroskop

zu 1: das ist eigentlich etwas sehr technisches und ich halte es bei der erklärung der Funktionsweise eines elektronenmikroskops für nicht so wichtig.