電子槍設(shè)計概論

1、北京航空航天大學緒論電子槍概論儀器科學與光電工程學院 董全林辦公室：主北401電話：郵箱：北京航空航天大學緒論目錄1.電子簡介2.薛定諤定律3.電子束應用北京航空航天大學緒論1.電子簡介1897年，湯姆遜在研究稀薄氣體放電的實驗中，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，轟動了整個物理學界。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)多年實驗和理論研究，又對這一定律作進一步修正。 1902年，勒納德從光電效應實驗得到光電效應的基本規(guī)律：電子的最大速度與光強無關(guān)，為愛因斯坦的光量子假說提供實驗基礎(chǔ)。

2、 1905年，愛因斯坦發(fā)表關(guān)于布朗運動的論文，并發(fā)表光量子假說，解釋了光電效應等現(xiàn)象。 愛因斯坦發(fā)表關(guān)于運動媒質(zhì)的電動力學一文，首次提出狹義相對論的基本原理，發(fā)現(xiàn)質(zhì)能之間的相當性。19061917年，密立根(R.A.Millikan,1868-1953)測單個電子電荷值，前后歷經(jīng)11年，實驗方法做過三次改革，做了上千次數(shù)據(jù)。 盧瑟福從實驗發(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)了模糊表示其運動的數(shù)學函數(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。在實驗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)于電子的各種實驗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用。近代物理百年，也是電子從誕生到走進我們生活的百年，電子束概論，只是浩淼煙海中的一小部分，對電子的應用以及基本公式做一些簡單的介紹，希望可以給同學們一些啟迪與共鳴。北京航空航天大學緒論 1.電子是構(gòu)成原子的基本粒子之一，帶有單位負電荷，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.最新實驗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，是一種費米子。 4.電子的運動具有粒子性與波動性，并且符合不確定性原理。電子的運動函數(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。 薛定諤方程是一個經(jīng)驗定律，不是由公式推導得出的，后來實驗證明了這個假設(shè)的正確

5、性。 薛定諤方程式量子力學的開端，也是量子力學的核心。是描述微觀粒子運動的波動函數(shù)。北京航空航天大學緒論2.2 物質(zhì)波波函數(shù) 德布羅意指出，不對易的力學量，比如位置和動量，是不能同時測量的，因此不能得到一個物體準確的位置和動量 ，位置測量越準 ，動量越不準。這個叫不確定性原理。對應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)只能用復數(shù)形式來表達。不能用實數(shù)形式來表達。2.2.1 波函數(shù)的物理意義 在光波當中，波動函數(shù)的平方表示光強度。而對于物質(zhì)波的波函數(shù)來說，卻與之不同。是的

6、共軛復數(shù)。正實數(shù)北京航空航天大學緒論由玻恩的統(tǒng)計解釋，在某處德布羅意波的強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)的乘積得到的實數(shù)是德布羅意波的強度，其值與粒子在該處空間出現(xiàn)的概率成正比。 某一時刻出現(xiàn)在某點附近在體積元 中的粒子的概率為： 由此可見， 為粒子在某點附近單位體積內(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。從這點來說，物質(zhì)波在本質(zhì)上與電磁波、機械波是不同的，物質(zhì)波是一種幾率波，它反映微觀粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律。波函數(shù)的統(tǒng)計意義是波恩于1926年提出的。由于波恩在量子

7、力學所作的基礎(chǔ)研究，特別是波函數(shù)的統(tǒng)計解釋，他與博特共享了1954年的諾貝爾物理學獎。北京航空航天大學緒論2.2.2 波函數(shù)應該滿足的條件1）標準條件 粒子在某一個時刻t，在空間某點上粒子出現(xiàn)的幾率應該是唯一的、有限的，所以波函數(shù)必須是單值的、有限的；又因為粒子在空間的幾率分布不會發(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)的標準條件。也就是說，波函數(shù)必須連續(xù)可微，且一階導數(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出現(xiàn)，所以任意時刻，在整個空間發(fā)現(xiàn)粒子的總幾率應是1。所以應有：北京航空航天大學緒論 以一維波函數(shù)為例，在下述四種函數(shù)

8、曲線中，只有一種符合標準條件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（振幅的平方）代表通過某點的能流密度波強（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波強的比例，并非取決于波強的絕對值。能流密度分布取決于空間各點的波強的絕對值。 因此，將波函數(shù)在空間各點的振幅同時增大 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、在空間各點的振幅同時增大 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 軸運動的波函數(shù)為：對時間求微商，得到：2.3.1.自由粒子的薛定諤方程式中：北京航空航天大學緒論對 x 求二階偏導：比較以上三式，可得：北京航空航天大學緒論這就是一維空間運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的薛定諤方程為：北京航空航天大學緒論為書寫方便，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動，

10、則其薛定諤方程為：則上式可寫為：北京航空航天大學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的最基本的方程，是量子力學的一個基本假設(shè)。北京航空航天大學緒論3.電子束應用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 ,然后迅速冷卻來達到焊接的目的。優(yōu)點1 )電子束焊接的能量密度高 ,可焊接一般電弧焊難以實現(xiàn)的焊縫;2)電子束焊接是在真空中進行 ,焊縫的化學成分穩(wěn)定且純凈 ,接頭強度高 ,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緒論3.2 電子顯

11、微鏡 電子顯微鏡與傳統(tǒng)的光學顯微鏡最大的區(qū)別就是把電子波當做光源，利用電子的波長遠遠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。電子束在光學顯微鏡當中由電子槍發(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)。早期應用于電視機、收音機擴音機等電子產(chǎn)品中，近年來逐漸被半導體材料制作的放大器和集成電路取代。北京航空航天大學緒論3.4 在光源方面的應用 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動時放出的電磁輻射，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家歡迎的東西，因為它消耗了加速器的能量，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紅 外到X光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜、高強度、高度準直、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現(xiàn)的許多前沿科學技術(shù)研究。北京航空航天大學緒論3.5 在生物方面的應用