Elektron optiği - Electron optics

Manyetik lens

Elektron optiği , elektromanyetik alanlar boyunca elektron yörüngelerinin hesaplanması için matematiksel bir çerçevedir . Optik terimi , manyetik ve elektrostatik lensler , bir ışık ışını üzerindeki optik lenslere benzer şekilde yüklü bir parçacık ışını üzerinde etki ettikleri için kullanılır .

Elektron optiği hesaplamaları, elektron mikroskoplarının ve parçacık hızlandırıcılarının tasarımı için çok önemlidir . Gelen paraksiyal yaklaşım , yörünge hesaplamalar kullanılarak gerçekleştirilebilir ışını aktarma matrisi analizi .

Bir einzel lens , belirli bir elektrostatik lens türü. Bu şekil elektron yolunu gösterir. Altı plaka, belirli bir potansiyelde orta plaka ile uçuş yoluna paraleldir. (Bu diyagram pozitif iyonlar için yapılmıştır ve merkezi plakada pozitif bir voltaj gösterir. Elektronlar için bu voltaj negatif olmalıdır.)

Elektron özellikleri

Elektronlar, 1/2 spin ile yüklü parçacıklardır ( durağan kütleli nokta yükleri ) (dolayısıyla fermiyonlardır ). Elektronlar, uygun elektrik (veya manyetik ) alanlarla hızlandırılabilir , böylece kinetik enerji elde edilir . Yeterli voltaj verildiğinde, elektron ölçülebilir göreli etkiler sergilemek için yeterince hızlı bir şekilde hızlandırılabilir . Dalga parçacık ikiliğine göre elektronlar, dalga boyu , faz ve genlik gibi özelliklere sahip madde dalgaları olarak da kabul edilebilir .

Geometrik elektron optiği

Manyetik alanlar

Elektronlar, Lorentz kuvvetinin ikinci terimine göre manyetik alanlarla etkileşime girer: manyetik alan ve elektron hızı arasındaki çapraz ürün . Sonsuz tekdüze bir alanda bu , elektronun alan yönü etrafında aşağıdaki şekilde verilen bir yarıçap ile dairesel bir hareketiyle sonuçlanır:

{\ displaystyle r = {\ frac {mv _ {\ perp}} {eB}}}

burada r, yörünge yarıçapı, m olan bir elektron kütlesi , alana elektron hızı dik çizginin bileşenidir, e elektron yükü ve oda uygulanan manyetik alan büyüklüğüdür. Manyetik alana paralel bir hız bileşenine sahip olan elektronlar, sarmal yörüngeler boyunca ilerleyecektir . ${\ displaystyle v _ {\ perp}}$

Elektrik alanları

Uygulanan bir elektrostatik alan durumunda, bir elektron alanın pozitif gradyanına doğru sapacaktır. Özellikle, elektrostatik alan çizgilerinin bu geçişi, elektrostatik alanlardan geçerken elektronların hızlarının büyüklüğünü değiştirdiği, manyetik alanlarda ise sadece hız yönünün değiştirildiği anlamına gelir.

Elektronlar kırınım gibi parçacık olmayan (dalga benzeri) etkiler sergileyebildiklerinden , Maxwell denklemini çözerek elektron yollarının tam bir analizi elde edilebilir - ancak birçok durumda, parçacık yorumu karmaşıklıkta büyük azalma ile yeterli bir yaklaşım sağlayabilir.

Elektronların bir diğer özelliği, yalnızca çekirdeğe değil, aynı zamanda maddenin elektron yük bulutuna da duyarlı oldukları için madde ile güçlü bir şekilde etkileşime girmeleridir. Bu nedenle, elektron optik sistemde arzu edilen gibi , elektronlar herhangi bir makul mesafeyi yaymak için vakuma ihtiyaç duyar .

Vakumda penetrasyon , Poisson istatistiklerinden türetilebilecek yaklaşık değerler olan elektronlar ve madde arasındaki çarpışma olasılığının bir ölçüsü olan ortalama serbest yol ile belirlenir .

Göreli teori

Çok yaygın olmamakla birlikte, manyetik yapıların yüklü parçacıklara etkilerini Dirac denkleminden başlayarak türetmek de mümkündür .

Kırınım elektron optiği

Bir alt-relativistik serbest elektron yayılan vakum doğru bir şekilde tanımlanabilir Broglie de önemli dalga boyuna ivmeye ters orantılı bir dalga boyuna sahip. Elektron tarafından taşınan yükün bir sonucu olarak, elektrik alanları, manyetik alanlar veya ince, zayıf etkileşimli malzemelerin elektrostatik ortalama iç potansiyeli, bir elektronun dalga cephesine bir faz kayması verebilir. Kalınlığı modüle edilmiş silikon nitrür membranlar ve programlanabilir faz kaydırma cihazları, elektron dalgasının uzak alan uzaysal yoğunluğunu ve fazını kontrol etmek için uzamsal olarak değişen faz kaymaları uygulamak için bu özellikleri kullandı. Bu tür cihazlar, elektron dalga cephesini keyfi bir şekilde şekillendirmek, elektron mikroskoplarının doğasında bulunan sapmaları düzeltmek, serbest bir elektronun yörüngesel açısal momentumunu çözmek ve serbest elektronlar ile manyetik malzemeler veya plazmonik nanoyapılar arasındaki etkileşimdeki dikroizmi ölçmek için uygulanmıştır .

Ayrıca bakınız

daha fazla okuma

Hawkes, PW ve Kasper, E. (1994). Elektron Optiğinin Prensipleri . Akademik Basın. Mayıs ISBN 9780080984162 .
Pozzi, G. (2016). Elektron Optiği ve Mikroskopide Parçacıklar ve Dalgalar . Akademik Basın. Mayıs ISBN 9780128048146 .

Languages

In other projects