3.2 Механизм упругого рассеяния

Удобно разделить механизмы упругого рассеяния на две основные формы: рассеяние электронов от одного, изолированного атома и коллективное рассеяние от многих атомов внутри образца. Для начала мы рассмотрим взаимодействие электронов с одним изолированным атомом. В этой ситуации, упругое рассеяние может произойти одним из двух способов, каждый из которых предусматривает участие кулоновских сил. Как показано на рисунке 3.1, электрон может взаимодействовать с электронным облаком, в результате чего наблюдаются малые угловые отклонения. Кроме того, если электрон проникнет в электронное облако и приблизится к ядру, он будет сильно притягиваться положительно заряженным ядром, и может быть рассеян на большой угол, который в редких случаях в ПЭМ, может составлять почти 180ᵒ (т. е. полное обратное рассеяние). На самом деле многие электрон-электронного взаимодействия носят неупругий характер. Это неупругое взаимодействие может выражаться в том, что ядерное взаимодействие может привести к генерации тормозного рентгеновского излучения, или даже может привести к смещению атома из узла решетки в кристалле. Оба эти взаимодействия связаны с некоторыми потерями энергии для электронов. В самом деле, чем больше угол рассеяния электронов, выходящих из образца, тем больше шансов, что они претерпели неупругие взаимодействия во время прохождения через образец.
Вторая основная форма упругого рассеяния наблюдается, когда электронная волна взаимодействует с образцом как с единым целым. Как уже упоминалось самая известная форма этого взаимодействия - дифракция, является особенно важной при малых углах рассеяния. Понимание дифракции заключается в представлении электронного пучка в виде волны, а не частиц, как мы делали на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Два способа, которыми изолированный атом может рассеивать ускоренные электроны. Кулоновское взаимодействие с электронным облаком выражается в рассеянии на малые углы; кулоновское притяжение ядра дает рассеяние на большие углы (вплоть до полного обратного рассеяния, когда θ> 90ᵒ). Потенциал внутри электронного облака всегда положительный.



Вслед за оригинальный подход Гюйгенса для дифракции видимого света, мы можем представить, что каждый атом в образце, взаимодействуя с падающей плоской волны, действует как источник вторичных сферических волн, как показано на рисунке 3.2. Таким образом, распределение мало-углового, упругого рассеяния изменяется из-за кристаллической структуры образца, и сильные дифрагированные пучки возникают под определенными углами.

Рисунок 3.2 Плоская, когерентная электронная волна генерирует вторичные волны от ряда закономерно расположенных рассеивающих центров (например, атомов в кристалле). Вторичные волны интерферируют, образуя сильный прямой пучок (нулевого порядка) и несколько (более высокого порядка) когерентных пучков рассеянных (дифрагированных) под определенными углами.