扫描电镜原理：元素与扫描电镜及能谱仪的联系

相信大家都知道扫描电镜的背散射电子（BSE），背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。

大家可以这样想象：当我们用乒乓球（入射电子）砸向石头（原子核）时，乒乓球便会被反弹回来，反弹回来的这些乒乓球便是背散射电子。因此，当原子序数越大，原子核所带正电荷就越多，能够反弹回来的背散射电子便会越多，在扫描电镜成像上的体现就是信号量较充足。

在扫描电镜下，如上图所示，我们不难发现其中有黑色的地方（C 元素）也有白色的地方（Sn 元素），这里成像的衬度便反应了原子序数的差异。

而通过能谱检测特征 X 射线则可以知道原子是什么，有多少。当入射电子束与材料相互作用时，原子内层电子被打跑，外层电子向内跃迁填补空位，多余的能量以 X 射线形式释放。由于原子序数的不同，核外电子排布方式也是不同，内外层电子的能量差也就不同，因此元素释放的 X 射线能量不同，这些具有原子信息的 X 射线称为特征 X 射线。

通过分析 X 射线“能量”，可以识别出与之对应的元素。

通过分析 X 射线“数量”，可以分析出不同元素的含量。

经过上面介绍，可以发现元素与扫描电镜（SEM）及能谱仪（EDS）存在密切的联系。通过扫描电镜背散射电子图像可以初步判定样品表面的成分信息，结合能谱仪（EDS）可以测得样品表面元素的种类和含量。

1869 年俄国科学家门捷列夫（Dmitri Mendeleev）首先创造了元素周期表，门捷列夫发现元素排布规律的过程还有一个小故事：

有一天，门捷列夫正在苦恼元素之间的规律，他坐到桌前摆弄起了“纸牌”，摆着，摆着，门捷列夫像触电似的站了起来，在他面前出现了完全没有料到的现象，每一行元素的性质都是按照原子量的增大而从上到下地逐渐变化着。他将当时已知的 63 种元素依照相对原子质量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一列，制成元素周期表的雏形。经过多年修订后才成为当代的周期表。

元素周期表中各个元素所在的位置决定了很多信息，其中就包含了原子核及核外电子排布的信息。

1. 在元素周期表中原子序数决定了原子核所带正电荷数。原子核极小，它的直径在10-15 m~10-14 m之间，体积只占原子体积的几千亿分之一，在这极小的原子核里却集中了 99.96 % 以上原子的质量，原子核的密度极大，核密度约为 1017 kg/m3。

2. 在元素周期表中原子序数决定了核外电子数，处于基态的原子，核外电子排布方式遵守最低能量原理，泡利不相容原理和洪特规则。