大氣波動
[拼音]：dianzi guangxue
[英文]：electron optics
研究電子在電場和磁場中傳播、聚焦、成像與偏轉等規律及其應用的一門學科，是物理學的一個分支。
電子光學這一名稱的由來基於下述事實：
（1）在電場和磁場中控制電子運動軌跡的規律(最小作用量原理)與折射率有變化的光學媒質中控制光線的規律(費馬原理)之間的相似性。
（2）L.V.德布羅意於 20世紀 20年代揭示了電子的波動性及其與光波的相似性。
（3）H.布希等人自1926年起證明了旋轉對稱靜電場和靜磁場可以使電子束偏折、聚焦和成像，如同光學透鏡對於光線的作用。
因此，可以採用類似光學的方法和概念（如變分原理、光程函式、折射率、透鏡、高斯光學、像差等）建立電子光學的完整理論體系。
學科內容
電子在旋轉對稱場中的運動
在電子光學中，通常對場（電場和磁場）作如下假定：場與時間無關（即靜場），真空中的場，場中不存在自由的空間電荷或空間電流的分佈。
由真空中靜電磁場的麥克斯韋方程組可以導得：靜電場的電位嗞滿足拉普拉斯方程墷2嗞=0；靜磁場的磁矢勢
A
滿足下述的二階齊次偏微分方程墷2A
＝0。通常利用旋轉對稱的電場和磁場來構成電子透鏡。人們經常感興趣的是對稱軸附近的場分佈。通過求解拉普拉斯方程以及磁矢勢滿足的偏微分方程，藉助於軸上電位V(z)和軸上磁感應強度B(z)，可以利用冪級數表示空間電位分佈 嗞 (
z
，r) 與磁矢勢值分佈A(z
，r)。在研究系統的高斯光學性質和三級像差時，只需取展開式中的頭幾項，即
(1)
(2)
雖然從電子光學的最小作用原理，通過變分問題的尤拉方程可以導得普遍軌跡方程，但是電子在電場和磁場中的運動方程由洛倫茲力公式給出更為方便
， (3)
式中e和m分別是電子的電荷和質量(e<0)，
F
為作用在電子上的力，v為運動電子的速度向量，E
和B
分別為電場強度和磁感應強度。由式(3)出發，利用能量守恆定律並消去時間t，便可導得普遍軌跡方程。如果再利用式(1)、(2)，並考慮到旁軸條件，即電子束對
z
軸的斜率r′和電子離軸距離r都很小：r'2
1，r2≈0，不難導得圓柱座標系(r，θ，
z
)下的高斯軌跡方程。在非相對論性情況下，在純靜電場中，它可以表示為
； (4)
在純靜磁場（V＝Vo＝常數）中，則有
， (5)
。 (6)
這表明，在磁系統中，電子還具有繞軸的轉角。
由於式(4)和式(5)是二階線性齊次微分方程，因此不難證明，旋轉對稱的靜電磁場對於旁軸電子，正如光學透鏡對於近軸光線一樣，具有理想聚焦(見高斯光學)的性質。
靜電透鏡
在具有旋轉對稱的幾何構形的金屬導體電極系統的電極上分別加上一定的電壓，便得到靜電透鏡。圖1中示出了幾種典型靜電透鏡的結構。現以最簡單的雙圓筒浸沒透鏡為例來說明靜電透鏡的聚焦作用。如圖2所示，圓筒兩端的電壓分別為V1和V2，設V2＞V1。由式(3)
F
＝-e墷嗞。這表示電子作用力垂直於等位線，且指向高電位方向。故電子自左向右行進時向軸偏折（會聚作用）；當電子到達高電位一側時離軸偏折（發散作用），但此時電子的速度增大，經歷的時間短。總的說來，會聚作用大於發散作用。對於V1>V2的情況，則電子先發散後會聚，但在低電位一側速度減低，仍然是會聚作用大於發散作用。因之，兩側E
＝0的靜電透鏡總是會聚的。
磁透鏡
在帶有或不帶有鐵殼和極靴的圓形線圈繞組中通以恆定電流或由永久磁鐵形成的旋轉對稱磁場稱為磁透鏡。
由磁透鏡的高斯軌跡方程(5)、(6)可見，r″r恆為負值，θ≠0；說明電子軌跡有一繞軸的轉角，但總是向軸偏折。故磁透鏡總是會聚透鏡，如圖3所示。
常用磁透鏡有長磁透鏡、短磁透鏡和強磁透鏡。由長螺線管產生的縱向均勻磁場稱為長磁透鏡，電子在空間的軌跡為一條螺旋線，縱向速度vz相同的電子束經過週期T＝2πm/eB 的整數倍時間後理想聚焦。短磁透鏡由帶有鐵殼或不帶有鐵殼的短螺管線圈構成，其磁場作用區寬度比焦距小得多。若在帶有鐵殼的磁透鏡內再加上特殊形狀的極靴（其磁場可達103～104奧斯特），可使磁場集中在幾毫米的範圍內，便能獲得焦距很短的強磁透鏡。圖4表示帶有鐵殼與極靴的強磁透鏡在電子顯微鏡中的應用。
電磁多極透鏡
旋轉對稱的電子透鏡在理論上和實用上都有重要意義，但卻有一系列侷限性（例如，其球差和色差不可消除）。近年來，人們採用非旋轉對稱的透鏡，特別是電磁多極透鏡，來矯正球差、色差和軸上像散，並使電子顯微鏡的解析度進一步接近理論值。
電磁多極透鏡是由幾個對稱地放置在方位角方向上具有一定電（磁）位的電（磁）極所構成的非旋轉對稱場。圖5示出了磁四極透鏡的略圖。
四極透鏡的特點是它的電磁場分佈具有兩個互相垂直的對稱（反對稱）面。在其中一個對稱面上透鏡是散焦的，而在另一個對稱面上是聚焦的。因此，四極透鏡是具有顯著像散性質的透鏡。如果將兩個相同的四極透鏡以相反的極性（亦即相互轉過90°）串聯起來組成一個二單元四極透鏡，則在一定條件下，對於給定的物點可以獲得無像散的影象。四極、六極和八極透鏡在電子束器件和電子顯微鏡中被用作消像散器或球差矯正器，在質譜儀器中被用作偏轉聚焦元件。
電子束的偏轉
分為靜電偏轉和磁偏轉兩種。利用垂直於電子束運動方向的靜電場(磁場)來使電子束改變方向或發生偏轉的電子光學系統稱為靜電偏轉系統（磁偏轉系統），它們廣泛地應用在各種電子束器件和電子光學儀器中。
（1）靜電偏轉。最簡單的靜電偏轉系統是平行板偏轉系統。如圖6a所示， 距離為d的兩個平行板之間的電壓為Vd，電子以初速度
沿軸入射，由於電場強度Ey＝-Vd／d的作用，使電子束離軸偏轉。可以證明，電子束在屏上的全偏轉量墹正比於Vd，其比例常數定義為偏轉靈敏度ε，它可表示為
。 (7)
（2）磁偏轉。磁偏轉系統近似地是橫向均勻磁場，並限制在區域a內，如圖6b所示。由式(3)
F
＝e[v×B
]可見，垂直於磁感應強度B
入射的初速度為v的電子受力F
而偏轉。偏轉靈敏度ε定義為全偏轉量 墹與磁感應強度B的比值，它可表示為
(8)
應該注意，表示式(7)和(8)均為一級近似，實際上由於場的非均勻性與邊緣效應，會產生偏轉像差。
圖7是分別利用靜電聚焦（靜電偏轉）與磁聚焦（磁偏轉）的陰極射線管的示意圖。
電子光學的應用
近半個世紀來，電子光學的發展取得了豐碩的成果:如分辨本領達3埃的高效能透射電子顯微鏡，單槍三束直列式電子槍的現代彩色映象管，頻率達1000～2000兆赫的高頻示波管，用於微光夜視的變像管、像增強器和電視攝像管，用於地面和衛星通訊中的微波管，各種多用途的綜合分析儀器，新型高能加速器以及直徑為微米或亞微米的電子束加工技術。它們的研製與改進，都有賴於電子光學理論的指導。
離子束也是帶電粒子，其運動規律與電子束相似，故電子光學的原理和方法也適用於離子光學。次級離子質譜儀、離子探測束與離子摻雜機均屬於離子光學器件。電子光學與離子光學可以通稱為“帶電粒子光學”。
參考書目
西門紀業著:《電子與離子光學原理及象差導論》，科學出版社，北京，1983。
W.Glaser，Glundlagen der Elektronenoptik，Sprin-gerVerlag，Wien，1952.
A.Septier，ed.，Focusing of Charged particles，Academic Press， New York and London，1967.
A.B.El-Kareh and J.C.J.El-Kareh，Electron Beαms， Lenses and Optics，Academic Press， New York and London，1970.