電子槍設(shè)計(jì)概論

1、北京航空航天大學(xué)緒論電子槍概論儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 董全林辦公室：主北401電話：郵箱：北京航空航天大學(xué)緒論目錄1.電子簡介2.薛定諤定律3.電子束應(yīng)用北京航空航天大學(xué)緒論1.電子簡介1897年，湯姆遜在研究稀薄氣體放電的實(shí)驗(yàn)中，證明了電子的存在，測定了電子的荷質(zhì)比，打破了原子不可分割的物理殿堂基石，轟動了整個(gè)物理學(xué)界。1.1電子發(fā)展歷史1901年，考夫曼從鐳輻射線測射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)，從而發(fā)現(xiàn)電子質(zhì)量隨速度變化。理查森經(jīng)多年實(shí)驗(yàn)和理論研究，又對這一定律作進(jìn)一步修正。 1902年，勒納德從光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)得到光電效應(yīng)的基本規(guī)律：電子的最大速度與光強(qiáng)無關(guān)，為愛因斯坦的光量子假說提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2、 1905年，愛因斯坦發(fā)表關(guān)于布朗運(yùn)動的論文，并發(fā)表光量子假說，解釋了光電效應(yīng)等現(xiàn)象。 愛因斯坦發(fā)表關(guān)于運(yùn)動媒質(zhì)的電動力學(xué)一文，首次提出狹義相對論的基本原理，發(fā)現(xiàn)質(zhì)能之間的相當(dāng)性。19061917年，密立根(R.A.Millikan,1868-1953)測單個(gè)電子電荷值，前后歷經(jīng)11年，實(shí)驗(yàn)方法做過三次改革，做了上千次數(shù)據(jù)。 盧瑟福從實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粒子碰撞金屬箔產(chǎn)生大角度散射，提出有核原子模型的理論。1913年，玻爾綜合愛因斯坦等人的理論，提出了能量分級理論。發(fā)表氫原子電子結(jié)構(gòu)。1925年，泡利發(fā)表不相容原理，進(jìn)一步解釋了原子中電子的分布情況。同年，烏倫貝克和高斯密特提出電子自旋假設(shè)。1926年，薛

3、定諤發(fā)表薛定諤函數(shù)，電子出現(xiàn)近30年，終于出現(xiàn)了模糊表示其運(yùn)動的數(shù)學(xué)函數(shù)。同年，海森堡發(fā)表不確定原理。1927年，湯姆生用高速電子獲電子衍射花樣。在實(shí)驗(yàn)上證明了電子具有波動性 電子的發(fā)現(xiàn)是近代物理的開端之一，關(guān)于電子的各種實(shí)驗(yàn)以及隨著誕生的一系列定理則穿插了量子物理的崛起的征途。而第三次科技革命則是電子的應(yīng)用。近代物理百年，也是電子從誕生到走進(jìn)我們生活的百年，電子束概論，只是浩淼煙海中的一小部分，對電子的應(yīng)用以及基本公式做一些簡單的介紹，希望可以給同學(xué)們一些啟迪與共鳴。北京航空航天大學(xué)緒論 1.電子是構(gòu)成原子的基本粒子之一，帶有單位負(fù)電荷，電荷量為 庫倫。電子的質(zhì)量：9.10938215 Kg

4、 2.電子屬于輕子類，輕子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子之一，即其無法被分解為更小的粒子。 3.最新實(shí)驗(yàn)觀測到電子由軌道子，自旋子，空穴子組成。電子帶有1/2自旋，是一種費(fèi)米子。 4.電子的運(yùn)動具有粒子性與波動性，并且符合不確定性原理。電子的運(yùn)動函數(shù)是薛定諤方程。 5.電子在原子軌道上的躍遷，正電子與負(fù)電子對撞，都會有光子產(chǎn)生。1.2 電子性質(zhì)北京航空航天大學(xué)緒論2.薛定諤定律2.1 薛定諤方程的建立 1925年，薛定諤介紹了德布羅意波，之后再德拜的要求下，經(jīng)過幾個(gè)星期的演算，奇跡般的給出了電子的波動方程，即現(xiàn)在的薛定諤方程。 薛定諤方程是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律，不是由公式推導(dǎo)得出的，后來實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)假設(shè)的正確

5、性。 薛定諤方程式量子力學(xué)的開端，也是量子力學(xué)的核心。是描述微觀粒子運(yùn)動的波動函數(shù)。北京航空航天大學(xué)緒論2.2 物質(zhì)波波函數(shù) 德布羅意指出，不對易的力學(xué)量，比如位置和動量，是不能同時(shí)測量的，因此不能得到一個(gè)物體準(zhǔn)確的位置和動量 ，位置測量越準(zhǔn) ，動量越不準(zhǔn)。這個(gè)叫不確定性原理。對應(yīng)的德布羅意波的頻率和波長：自由粒子的物質(zhì)波是單色平面波，其波函數(shù)為：北京航空航天大學(xué)緒論 對三維空間，沿矢徑 方向傳播的自由粒子的波函數(shù)為： 微觀粒子物質(zhì)波的波函數(shù)只能用復(fù)數(shù)形式來表達(dá)。不能用實(shí)數(shù)形式來表達(dá)。2.2.1 波函數(shù)的物理意義 在光波當(dāng)中，波動函數(shù)的平方表示光強(qiáng)度。而對于物質(zhì)波的波函數(shù)來說，卻與之不同。是的

6、共軛復(fù)數(shù)。正實(shí)數(shù)北京航空航天大學(xué)緒論由玻恩的統(tǒng)計(jì)解釋，在某處德布羅意波的強(qiáng)度是與粒子在該處出現(xiàn)的概率成正比的。解釋來說，就是波函數(shù)與其共軛函數(shù)的乘積得到的實(shí)數(shù)是德布羅意波的強(qiáng)度，其值與粒子在該處空間出現(xiàn)的概率成正比。 某一時(shí)刻出現(xiàn)在某點(diǎn)附近在體積元 中的粒子的概率為： 由此可見， 為粒子在某點(diǎn)附近單位體積內(nèi)粒子出現(xiàn)的幾率，稱為幾率密度。即：北京航空航天大學(xué)緒論 根據(jù)波恩的解釋，波函數(shù)本身并沒有直接的物理意義，有物理意義的是波函數(shù)模的平方。從這點(diǎn)來說，物質(zhì)波在本質(zhì)上與電磁波、機(jī)械波是不同的，物質(zhì)波是一種幾率波，它反映微觀粒子運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義是波恩于1926年提出的。由于波恩在量子

7、力學(xué)所作的基礎(chǔ)研究，特別是波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋，他與博特共享了1954年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。北京航空航天大學(xué)緒論2.2.2 波函數(shù)應(yīng)該滿足的條件1）標(biāo)準(zhǔn)條件 粒子在某一個(gè)時(shí)刻t，在空間某點(diǎn)上粒子出現(xiàn)的幾率應(yīng)該是唯一的、有限的，所以波函數(shù)必須是單值的、有限的；又因?yàn)榱Ｗ釉诳臻g的幾率分布不會發(fā)生突變，所以波函數(shù)還必須是連續(xù)的。 波函數(shù)必須滿足“單值、有限、連續(xù)”的條件，稱為波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件。也就是說，波函數(shù)必須連續(xù)可微，且一階導(dǎo)數(shù)也連續(xù)可微。2）歸一化條件 由于粒子必定要在空間中的某一點(diǎn)出現(xiàn)，所以任意時(shí)刻，在整個(gè)空間發(fā)現(xiàn)粒子的總幾率應(yīng)是1。所以應(yīng)有：北京航空航天大學(xué)緒論 以一維波函數(shù)為例，在下述四種函數(shù)

8、曲線中，只有一種符合標(biāo)準(zhǔn)條件YYYYXOXOOXOX符合不符合不符合不符合 波函數(shù)的邊界值在不同的條件下不一樣，一個(gè)完整的波函數(shù)，除了具體的函數(shù)之外，還需要邊界條件，變量范圍等相關(guān)參數(shù)。德布羅意波（概率波）不同于 經(jīng)典波（如機(jī)械波、電磁波）是振動狀態(tài)的傳播不代表任何物理量的傳播波強(qiáng)（振幅的平方）代表通過某點(diǎn)的能流密度波強(qiáng)（振幅的平方）代表粒子在某處出現(xiàn)的概率密度概率密度分布取決于空間各點(diǎn)波強(qiáng)的比例，并非取決于波強(qiáng)的絕對值。能流密度分布取決于空間各點(diǎn)的波強(qiáng)的絕對值。 因此，將波函數(shù)在空間各點(diǎn)的振幅同時(shí)增大 C倍，不影響粒子的概率密度分布，即 和C 所描述德布羅意波的狀態(tài)相同。YY 因此，將波函數(shù)

9、在空間各點(diǎn)的振幅同時(shí)增大 C倍，則該處的能流密度增大 C2 倍，變?yōu)榱硪环N能流密度分布狀態(tài)。波動方程無歸一化問題。波函數(shù)存在歸一化問題。德布羅意波經(jīng) 典 波北京航空航天大學(xué)緒論2.3 薛定諤方程 動量為P 、質(zhì)量為m、能量為E的自由粒子， 沿 x 軸運(yùn)動的波函數(shù)為：對時(shí)間求微商，得到：2.3.1.自由粒子的薛定諤方程式中：北京航空航天大學(xué)緒論對 x 求二階偏導(dǎo)：比較以上三式，可得：北京航空航天大學(xué)緒論這就是一維空間運(yùn)動的自由粒子的薛定諤方程。2.3.2 薛定諤方程的一般形式此時(shí)的薛定諤方程為：北京航空航天大學(xué)緒論為書寫方便，我們引入拉普拉斯算符：若粒子不是在一維空間而是在三維空間的勢場中運(yùn)動，

10、則其薛定諤方程為：則上式可寫為：北京航空航天大學(xué)緒論引入哈密頓算符：則薛定諤方程可寫為：這就是薛定諤方程的一般形式。薛定諤方程是量子力學(xué)的最基本的方程，是量子力學(xué)的一個(gè)基本假設(shè)。北京航空航天大學(xué)緒論3.電子束應(yīng)用3.1電子束焊接 電子束焊接技術(shù)是將高能電子束作為加工熱源，用高能量密度的電子束轟擊焊件接頭處的金屬 ,使其快速熔融 ,然后迅速冷卻來達(dá)到焊接的目的。優(yōu)點(diǎn)1 )電子束焊接的能量密度高 ,可焊接一般電弧焊難以實(shí)現(xiàn)的焊縫;2)電子束焊接是在真空中進(jìn)行 ,焊縫的化學(xué)成分穩(wěn)定且純凈 ,接頭強(qiáng)度高 ,焊縫質(zhì)量高;3)電子束焊接速度快 ,熱影響區(qū)小 ,焊接熱變形小北京航空航天大學(xué)緒論3.2 電子顯

11、微鏡 電子顯微鏡與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡最大的區(qū)別就是把電子波當(dāng)做光源，利用電子的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光波長的性質(zhì)，將人類可以看見的數(shù)量級推到了納米級。電子束在光學(xué)顯微鏡當(dāng)中由電子槍發(fā)射出來，之后打在靶上面，通過對二次電子的分析來得到靶的原子圖像或者分布。3.3 電子管 電子管，是一種最早期的電信號放大器件。被封閉在玻璃容器中的陰極電子發(fā)射部分、控制柵極、加速柵極、陽極引線被焊在管基上。利用電場對真空中的控制柵極注入電子調(diào)制信號，并在陽極獲得對信號放大或反饋振蕩后的不同參數(shù)信號數(shù)據(jù)。早期應(yīng)用于電視機(jī)、收音機(jī)擴(kuò)音機(jī)等電子產(chǎn)品中，近年來逐漸被半導(dǎo)體材料制作的放大器和集成電路取代。北京航空航天大學(xué)緒論3.4 在光源方面的應(yīng)用 同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在磁場中沿弧形軌道運(yùn)動時(shí)放出的電磁輻射，由于它最初是在同步加速器上觀察到的，便又被稱為“同步輻射” 或“同步加速器輻射”。長期以來，同步輻射是不受高能物理學(xué)家歡迎的東西，因?yàn)樗牧思铀倨鞯哪芰?，阻礙粒子能量的提高。但是，人們很快便了解到同步輻射是具有從遠(yuǎn)紅 外到X光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜、高強(qiáng)度、高度準(zhǔn)直、高度極化、特性可精確控制等優(yōu)異性能的脈沖光源，可以用以開展其它光源無法實(shí)現(xiàn)的許多前沿科學(xué)技術(shù)研究。北京航空航天大學(xué)緒論3.5 在生物方面的應(yīng)用