電子回折

電子回折：物質の構造解明に挑む電子線回折法

電子回折とは、物質に電子線を照射した際に発生する干渉現象、またはその干渉パターンを利用して物質の構造を解析する手法です。電子線が波動性を示す証拠としても知られ、X線回折や中性子回折と同様に、物質の対称性や結晶構造の解明に役立ちます。

電子回折の原理と手法

電子回折では、加速された電子ビームを物質に照射します。物質を構成する原子や分子は規則的な配列（結晶構造）を持つため、電子線はこれらの原子・分子によって散乱されます。この散乱波が干渉することで、スクリーン上に特徴的な回折パターンが形成されます。このパターンを分析することで、物質の結晶構造や原子配列に関する情報を得ることができます。

電子回折実験には、透過型[[電子顕微鏡]]（TEM）が広く用いられています。TEMでは、電子ビームを試料に透過させ、その透過波と散乱波の干渉パターンを直接観察します。また、走査型[[電子顕微鏡]]（SEM）を用いた電子後方散乱回折（EBSD）も、結晶構造解析に用いられます。TEMやSEMでは、静電ポテンシャルによる加速によって電子ビームに必要なエネルギーを与え、特定の波長に調整してから試料に照射します。

結晶物質は周期的な構造を持つため、電子線に対して回折格子として作用し、規則正しい散乱パターンを作り出します。このパターンを解析することで、結晶格子（ブラベ格子）の種類や格子定数などを決定できます。さらに、回折強度の精密な測定から、結晶構造の詳細な情報を得ることも可能です。ただし、X線回折と同様に位相問題が生じるため、構造決定には高度な解析技術が必要です。

結晶だけでなく、非晶質材料や気体分子など、様々な物質の構造解析にも電子回折は応用可能です。厚い試料の場合、多重散乱効果が無視できないため、回折強度の計算には動力学的回折理論を用いる必要があり、解析が複雑になります。しかし、この多重散乱効果は、X線回折では見られないフリーデル則の破れを引き起こすため、結晶の対称性の決定に役立つ面もあります。

電子回折の歴史

電子回折の基礎となるド・ブロイの物質波仮説が提唱されたのは1926年です。この仮説は、粒子も波動としての性質を持つというもので、3年後、独立に実施された2つの実験でその実証がなされました。

一つは、アバディーン大学のジョージ・パジェット・トムソンによる薄い金属膜への電子ビーム透過実験です。この実験で、予想された干渉パターンが観測され、電子の波動性が確認されました。もう一つは、ベル研究所のクリントン・デイヴィソンとレスター・ジャマーによる結晶格子を用いた電子ビーム透過実験です。これらの業績により、トムソンとデイヴィソンは1937年にノーベル物理学賞を受賞しました。

電子と物質の相互作用

電子回折における電子と物質の相互作用は、X線や中性子回折とは異なります。電子は荷電粒子であるため、クーロン力によって原子核や電子と相互作用します。一方、X線は価電子と、中性子は原子核と主に相互作用します。さらに、中性子は磁気モーメントを持つため、磁場による散乱も受けます。これらの相互作用の違いから、それぞれの回折法は異なる用途に適しています。

回折ビームの強度と理論

電子回折における回折ビームの強度は、運動学的近似を用いると、構造因子|Fg|²に比例すると表すことができます。構造因子は、結晶単位格子内の原子位置と原子散乱因子から計算されます。原子散乱因子は、電子ビームの種類によって異なり、電子回折ではX線回折とは異なる値を取ります。

電子の波長

電子の波長は、ド・ブロイの式λ=h/p（hはプランク定数、pは電子の運動量）で与えられます。電子顕微鏡では、高電圧で加速された電子を用いるため、電子の速度は光速に近づき、相対論的効果を考慮する必要があります。相対論効果を考慮した電子の波長は、加速電圧Uを用いて表現できます。TEMでは200kV程度の加速電圧を用いるため、電子の波長は非常に短くなります。この短い波長が、高い解像度での結晶構造解析を可能にしています。

[透過型電子顕微鏡]における電子回折

固体の電子回折は、TEMを用いて行われることが多いです。TEMでは、試料の薄い切片に電子ビームを透過させ、その回折パターンを蛍光スクリーンやCCDカメラで記録します。TEMにおける電子回折は、X線回折と比較して、いくつかの利点があります。

まず、TEMで加速された電子の波長は、X線回折に用いられるX線の波長よりもはるかに短いため、より詳細な回折パターンを得ることができます。さらに、電子レンズを用いることで、制限視野電子回折（SAED）や収束電子回折（CBED）など、様々な回折手法が可能です。CBEDは、結晶の三次元対称性を明らかにするのに有効です。

TEMにおける電子回折は、結晶構造解析だけでなく、EDSによる元素分析、EELSによる電子構造解析、電子ホログラフィーなど、様々な分析手法と組み合わせることが可能です。この多様な分析機能が、TEMにおける電子回折の高い汎用性を支えています。

実用上の観点と装置

TEMにおける電子回折では、試料を透過した電子ビームが対物レンズによって後焦点面に回折パターンを形成します。この回折パターンを観察することで、結晶構造を解析します。試料の傾斜によって得られる複数の回折パターンから、三次元の逆格子をマッピングし、ブラベ格子の決定や対称性の解析を行うことができます。

電子回折の制限

TEMにおける電子回折には、いくつかの制限があります。まず、試料は電子線を透過できるほど薄くなければならず、試料作製には高度な技術と時間を要します。また、電子線照射による試料の損傷も問題となります。磁性体試料の場合は、磁場によるローレンツ力が電子軌道を乱すため、構造解析が困難になります。さらに、データ解析に多くの人的作業を必要とする点も、電子回折の普及を妨げる要因の一つでした。

しかし近年、MicroED（Micro electron diffraction）などの技術開発により、微小結晶の構造解析も可能になりつつあり、電子回折の利用範囲は拡大しています。

もう一度検索