Interakce
Nepružný - neelastický rozptyl
Vysokoenergetický elektron, který se setká s atomem, proniká elektronovým obalem, kde může nastat srážka s elektrony, nebo pokračuje dále do hlubších vrstev vázaných mnohem více jádrem, až se může finálně přiblížit k jádru. Lze očekávat, že s větší hloubkou průniku nastane větší ztráta energie, ale je velmi málo pravděpodobné, aby elektron ztratil všechnu svojí energii v jedné interakci. Podle specifických podmínek můžou nastat různé neelastické procesy:
| 1. | RTG záření | - charakteristické |
| - brzdné | ||
| 2. | Sekundární elektrony (SE) | - pomalé |
| - rychlé (FSE) | ||
| - Augerovy (AE) | ||
| 2. | Kolektivní interakce | - plazmony |
| - fonony | ||
Obrázek graficky znázorňuje hloubku a prostor, v němž naznačené interakce vznikají.
Prostorové rozdělení
interakcí:
Další obrázek naznačuje počet elektronů opouštějících vzorek v daném rozsahu energií, který odpovídá určité interakci. Zpětně odražené elektrony (BSE) opouštějí preparát v širokém rozsahu energií, protože mohou dosáhnout zpětného odrazu až po několikáté srážce.
Rozdělení elektronů
podle energie:
Níže uvedený obrázek ukazuje závislost účinného průřezu jednotlivých procesů na energii,
| kde | P | je emise plazmonů |
| K, L | jsou ionizace těchto hladin (K a L) | |
| FSE | je tvorba rychlých sekundárních elektronů | |
| SE | je tvorba pomalých sekundárních elektronů | |
| E | jsou elastické procesy |
Účinný průřez při malém
úhlu rozptylu do 1˚:
Charakteristické RTG záření
Primární elektron proniká elektronovými vrstvami a interakcemi - srážkami s elektrony ve vnitřní vrstvě jim předává energii. Jestliže dojde k předání energie větší, než je energie kritická Ec (pro danou vrstvu K, L atd.), elektron opouští svojí energetickou vrstvu a zanechává po sobě díru. Ionizovaný atom je nyní v excitovaném stavu. Atom se může vrátit do základního stavu, v němž má nejnižší energii, zaplněním díry elektronem z některé vnější vrstvy. Elektron, který opouští vnější vrstvu a zaplňuje díru má větší energii, než příslušná vrstva, ve které je díra. Tato energie se vyzáří jako charakteristické RTG záření, nebo se předá tzv. Augerovu elektronu (ionizace může nastat vícero způsoby, například dopadem RTG paprsků).
Princip vzniku
charakter. RTG:
RTG paprsky jsou značeny podle toho, z které a do jaké vrstvy přechází elektron při zaplňování díry. Jestliže zaplní elektron díru ve vrstvě K z vrstvy L,
vyzáří se RTG záření 
,
pokud ji zaplníme z vrstvy M, vyzáří se RTG záření 
.
Bude li díra ve vrstvě L a zaplní jí elektron z vrstvy M, pak se vyzáří RTG záření 
atd.
Značení je komplexnější a číslem se označují jednotlivé podvrstvy. Nejvzdálenější podvrstva (má větší energii) je značena indexem 1 a pro bližší k
jádru
je index inkrementován.
Příkladem je RTG záření - 
a
.
Vše je vidět na obrázku, kde jsou nejčastější případy RTG charakteristického záření.
Značení RTG záření pro K,L,M hladiny
Elektronové přechody mají různou pravděpodobnost, v tabulce jsou uvedeny pravděpodobnosti výskytu pro danou vrstvu vztažené k nejpravděpodobnějšímu jevu.
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Energie primárního svazku E musí být větší než je kritická ionizační energie, která je závislá na atomovém čísle, aby došlo ke generování RTG záření. Atomy s větším atomovým číslem mají více protonů a proto mají větší kritickou energii. Hodnoty kritických energií pro dané přechody lze najít v tabulkách.
Ionizační účinný průřez pro charakteristické záření se mění s energií primárního svazku, jak je vidět na obrázku. Pokud se energie primárního svazku blíží k energii kritické, klesá pravděpodobnost ionizace a pokud bude energie primárního svazku více jak pětinásobná, začne ionizační účinný průřez nabývat konstantní hodnoty.
Závislost ionizačního účinného
průřezu na energii:
Bethe sestavil rovnici pro výpočet ionizačního účinného průřezu 
.
| kde: | ns | je podmínka značící počet elektronů v ionizované |
| podvrstvě | ||
| bs, cs | jsou konstanty pro příslušnou podvrstvu | |
Betheova rovnice počítá totální účinný ionizační průřez, ale z diferenciálu Betheova vztahu lze odvodit, že elektron který ionizoval atom, bude odkloněn do malého úhlu
~ 10-2 rad a výsledné charakteristické záření bude emitováno rovnoměrně do prostorového úhlu
4 
sr (tedy do všech směrů).
Při urychlovacím napětí používaném v TEM je třeba Betheovu rovnici korigovat na relativistický efekt.
RTG záření je elektromagnetické záření a nemá žádnou hmotu, proto se vzrůstající energií nemá relativistickou korekci a šíří se rychlostí světla ve vakuu.
Energie RTG záření je kvantována a vypočte se dle níže uvedeného vztahu, kde 
je frekvence RTG záření.
Energie RTG záření EK nebo EL je oproti kritické energii vždy menší.
Tento rozdíl je způsoben tím, že se atom po vyzáření RTG záření nevrací do základního stavu,
protože elektron který zaplnil díru v hladině K nebo L po sobě zanechal díru, kterou je potřeba zaplnit a tímto zaplněním dojde k emisi zbylé energie.
Například atom mědi potřebuje ionizační energii pro vrstvu K Ec = 8,980 keV.
Zaplní li díru v K vrstvě elektron z vrstvy L vyzáří = 8,048 keV,
poté vrstvu L zaplní elektron z vrstvy M a vyzáří = 0,930 keV.
Součet vyzářené energie RTG zářením je 8,978 keV,
zbylé 2 eV atom vydá po přechodu elektronu z vodivého pásu do vrstvy M buď ve formě fotonu, nebo generováním fononu.
Pomocí fluorescenčního zisku lze stanovit pravděpodobnost, vyzářené ionizační energie ve formě RTG záření nebo Augerových elektronů, značí se 
.
Fluorescenční zisk vypočteme podle dále uvedené rovnice, z které je vidět silná závislost na atomovém čísle.
Zde a je konstanta pro danou atomovou vrstvu. Na dalším obrázku je znázorněn průběh pravděpodobnosti emise RTG záření pro ionizovaný atom s dírou ve vrstvě K.
Pravděpodobnost výskytu RTG záření v závislosti na atomovém čísle
průřezu na energii:
Z obrázku je vidět, že emise RTG záření silně klesá se zmenšujícím se atomovým číslem, proto je lepší pro analýzu lehkých prvků použít Augerovy elektrony. V ostatních případech se používá RTG charakteristické záření, nejhojněji v materiálovém inženýrství.
Augerovy elektrony
Emise Augerových elektronů je konkurenční jev k RTG záření a největší pravděpodobnost vzniku tohoto jevu nastává u prvků s malým atomovým číslem. Proces vzniku je naznačen na obrázku.
Vznik Augeraova elektronu:
Augerův elektron má energii EA danou uvedeným vzorcem , který vychází z označení energetických vrstev na obrázku. Energie Augerova elektronu je charakteristická pro daný atom.
Augerovy elektrony unikají v malé vzdálenosti po vrchu preparátu - jsou generovány v hloubce do 3 nm. Tato analýza je náročná na kvalitu vakua, protože povrchová vrstva nesmí být kontaminovaná. Už pouhá kontaminace vzduchem značně zkresluje výsledky, proto se provádí úprava preparátu pod vakuem, přímo v mikroskopu.
Brzdné RTG záření
Brzdné záření vzniká, když je pronikající elektron natolik přiblížen k jádru atomu, že jádro elektron zpomaluje Coulombovskými silami. Zpomalení elektronu v elektrickém poli jádra může vyvolat souvislé RTG záření, které může mít největší energii o velikosti energie primárního svazku.
Pravděpodobnost vytvoření brzdného záření je popsáno Kramerovým vzorcem, kterým lze vypočítat produkci brzdného záření o dané energii, kde N(Ef) je počet fotonů brzdného RTG záření o energii Ef, K je Kramerova konstanta.
Brzdné záření je funkcí energie, jak ukazuje obrázek, vykazuje dopředný rozptyl a silně mění své vlastnosti v závislosti na směru šíření.
Průběh intenzity RTG
brzdného záření:
Brzdné záření zhoršuje kvalitu analýzy charakteristického RTG záření, v materiálovém inženýrství působí jako rušivý element. Pro biology má určitý význam, protože intenzita záření je závislá na průměrné hodnotě atomového čísla prvků obsažených v preparátu.
Pomalé sekundární elektrony
Pravé sekundární elektrony vznikají srážkou primárního svazku s elektrony ve valenčním nebo vodivém pásu, díky tomu potřebují ke své emisi poměrně malé hodnoty energie.
Typická energie sekundárních elektronů je kolem 50 eV. Vzhledem k jejich energii mohou vzorek opouštět pouze v blízkosti jeho povrchu – nejhlouběji do 5 nm.
Pro emisi sekundárních elektronů se nepoužívá účinný průřez, protože není schopen pokrýt veškeré mechanismy produkce těchto elektronů
(sekundární elektrony mohou vznikat i jako produkt třetí fáze, např. předáním energie z RTG záření).
Výnos 
(
je roven poměru počtu sekundárních elektronů ku počtu elektronů v primárním svazku) pomalých sekundárních elektronů je pokládán jako nezávislý na energii primárního svazku,
ale mění se s úhlem naklonění
preparátu
nebo povrchu vůči primárnímu svazku jak je naznačeno na obrázku.
Emise sekundárních
elektronů:
Pro tuto vlastnost se staly pomalé sekundární elektrony nejpoužívanějším signálem, zdrojem obrazu v SEM. Pravděpodobnost výskytu pomalých sekundárních elektronů je nejvyšší pro energii 5 eV a klesá k nule při hodnotách větších než 50 eV.
Katodoluminiscence
Vzniká přechodem elektronu z valenčního pásu přes zakázaný do vodivého. Po tomto přechodu vyvolaném srážkou vznikne ve valenčním pásu díra. Následnou rekombinací elektronu dojde k vyzáření jeho přebytečné energie ve formě fotonu, jak je naznačeno na obrázku.
Princip katodoluminiscence:
Princip vzniku katodoluminiscence má uplatnění při studium polovodičových struktur, kde je měřen proud v pA vytvářený páry elektron-díra po zavedení předpětí na vzorek (bias).
Plazmony
Plazmony jsou kolektivní oscilace volných elektronů, které nastanou, když primární elektronový svazek prochází preparátem a interaguje s elektronovým plynem tvořeným shlukem volných elektronů, jak naznačuje obrázek.
Vznik plazmonového rozptylu:
Tyto oscilace jsou tlumeny a zanikají za méně než femtosekundu, vlna se rozšíří do vzdálenosti menší než 10 nm. Plazmony jsou tvořeny ve všech materiálech, ale nejsnáze v kovech, které mají volné elektrony (např. hliník). Střední volná dráha pro plazmony bývá ~ 100 nm.
Účinný průřez pro plazmony je dán vztahem:
kde 
je nazýván jako charakteristický rozptylový úhel, tento úhel je dán poměrem 
.
Ep je plazmonová energie, která se obvykle pohybuje v hodnotách
15 – 25 eV. Účinný průřez je funkcí rozptylového úhlu a klesá rapidně k nule při hodnotách vyšších než 10 mrad – plazmony tedy mají dopředný směr šíření.
Fonony
Fonony jsou kvazičástice, které vznikají po srážce vysokoenergetického elektronu s atomy umístěnými v krystalové mřížce, jež začne vlivem srážky oscilovat. Spojení atomů v atomové mřížce je chápáno jako pružné, což ukazuje obrázek.
