入射电子束与物质试样碰撞时，电子和组成物质的原子核与核外电子发生相互作用，使入射电子的方向和能量改变，有时还发生电子消失、重新发射或产生别种粒子、改变物质性态等现象，这种现象统称为电子的散射。根据散射中能量是否发生变化，可将散射分为弹性散射和非弹性散射两类。如果碰撞后，电子只改变方向而无能量改变，这种散射称为弹性散射，它是电子衍射和电子衍衬像的基础。如果碰撞后，电子的方向与能量都改变了，这种散射称为非弹性散射，电子在非弹性散射中损失的能量被转变为热、光、X射线、二次电子发射等，电子的非弹性散射是扫描电子显微镜像、能谱分析、电子能量损失谱的基础。
电子束与样品相互作用产生的各种信号是电子显微镜获得广泛应用的基础。图3-9显示了当电子束入射到样品以后产生的主要物理信号，应用这些信号可以获取样品表面及内部的微区结构、形貌以及微区的元素种类、元素分布等信息，形成具有不同特色的各种分析方法。图3-10显示了不同信号在样品中的不同作用区域。
二次电子和背散射电子主要用于扫描电子显微镜和电子探针，透射电子主要用于透射电子显微镜，俄歇电子主要用于俄歇能谱仪，特征X射线主要用于波谱仪和能谱仪。
1.二次电子 由于高能入射电子与样品原子核外电子相互作用，使核外电子电离离开样品，成为二次电子。二次电子绝大部分是价电子。二次电子的能量较低，习惯上把能量小于50eV的电子统称为二次电子。二次电子只有在样品表面5～10nm的深度内才能逸出表面，这是二次电子像分辨率高的重要原因之一。入射电子在样品深处同样产生二次电子，但由于二次电子能量小，不能射出。二次电子的产额与样品中原子的原子序数关系不大。
2.背散射电子 被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子称为背散射电子。其中，某些仅受到单次或有限的几次大角散射，即可反射出样品，基本上保持了入射电子的能量，称为弹性背散射电子（能量不变）；还有些电子在样品内部经过多次的非弹性散射，能量损失越来越多，称为非弹性背散射电子（能量有损失）。背散射电子的特点如下。
图3-9 电子束与样品相互作用产生的各种信息
（1）弹性背散射电子由于在能量上等于入射电子，能量高，可达数千到数万电子伏；非弹性背散射电子能量分布宽，从数十电子伏到数千电子伏。
（2）背散射电子一样来自样品表层几百纳米至1μm深度范围。
（3）产额随样品中原子的原子序数增大而增多。
图3-10 不同信号在试样中的作用区域
3.吸收电子 入射电子与样品中原子核或核外电子发生多次非弹性散射后，其能量和活动能力不断降低，以致最后被样品所吸收的入射电子称为吸收电子。
样品产生的背散射电子越多，吸收电子就越少。背散射电子与样品的成分有关，吸收电子同样与样品成分有关。吸收电子形成的电流经放大后可以成像，效果与背散射像的衬度相反。(www.xing528.com)
4.特征X射线 原子内壳层电子被电离后，由较外层电子向内壳层跃迁产生的具有特征能量的电磁辐射称为特征X射线。高能电子入射到试样时，试样中元素的原子内壳层（如K层、L层）电子将被激发到较高能量的外壳层，如L层或M层，或直接将内壳层电子激发到原子外，使该原子系统的能量升高成激发态。这种高能量态是不稳定的，原子较外层电子将在10-12s迅速跃迁到有空位的内壳层，以填补空位降低原子系统的总能量，并以特征X射线或俄歇电子的方式释放出多余的能量。由于入射电子的能量及分析的元素不同，会产生不同线系的特征X射线，如K线系、L线系、M线系等。如果原子的K层电子被激发，L层电子向K层跃迁，所产生的特征X射线成为Kα，M层电子向K层跃迁产生的X射线称为Kβ。
每个元素都有一个特征X射线波长与之对应，不同元素分析时用不同线系，轻元素用Kα线系，中等原子序数元素用Kα或Lα线系。入射到试样表面的电子束能量，必须超过相应元素的相应壳层电子的临界激发能Ve，电子束加速电压为2～3倍Ve时，产生的特征X射线强度较高。根据所分析的元素不同，加速电压V0通常为10～30kV。
特征X射线能级图如图3-11所示。
图3-11 特征X射线能级图
由于每一原子轨道的能级是特定的，利用X射线的特征波长或特征能量，可以判定样品中微区的元素成分。用于特征X射线分析的仪器主要有两种，一种是X射线能量色散谱仪（EDS），简称能谱仪；另一种是X射线波长色散谱仪（WDS），简称波谱仪。
5.透射电子 入射束的电子透过样品而得到的电子称为透射电子。当样品的厚度小于入射电子的有效穿透深度（或全吸收厚度）时，就会有相当数量的入射电子穿透样品而成为透射电子。
透射电子显微镜中利用透射电子成像和衍射可以观察和分析样品的微观形貌和微区成分信息。
6.俄歇电子 在入射电子激发样品的特征X射线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把填充空穴的电子同一壳层内的另一个电子激发出去，或使填充空位电子层的外层电子发射出去，这个被电离出来的电子称为俄歇电子。一般情况下，俄歇电子的有效作用深度在1nm以内。
利用俄歇电子信号进行元素分析的仪器是俄歇电子谱仪。由于轻元素（质子数＜30）受激发时放出的俄歇电子较多，所以俄歇电子谱仪适用于轻元素分析。
7.阴极荧光 阴极荧光和电子—空穴对是紧密联系的。半导体样品在入射电子照射下，会产生电子—空穴对，当电子跳到空穴位置“复合”时，会产生光子，这叫作阴极荧光。光子的产生率与半导体的能带或半导体中的杂质有关，所以阴极荧光谱可用于半导体与杂质的研究上。阴极荧光谱主要用于扫描电子显微镜，原则上也可用于扫描透射电子显微镜（STEM）。
8.等离子体激发 等离子体激发主要发生在金属中。等离子体激发是指金属中自由电子的集体振动，当入射电子通过电子云时，这种振动在10～15s内消失，且该振动局域在纳米范围内。等离子体激发是入射电子引起的，因此入射电子要损失能量，这种能量损失随材料的不同而不同。利用测量特征能量损失谱进行分析，称为能量分析显微术。若选择有特征能量的电子成像，则称为能量损失电子显微术。
9.声子激发 声子是指晶体振动的能量量子，激发声子等于加热样品。声子激发引起入射电子能量损失（小于0.1eV），但声子激发使入射电子散射增大，使衍射斑点产生模糊的背景。声子激发随温度的增加而增加。声子激发对电子显微镜工作没有任何好处，通常采用冷却样品来减少声子激发。
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