Корпускулярная оптика

Название раздела физики «корпускулярная оптика» возник как аналогия корпускулярным представлениям в оптике, где свет может рассматриваться не только как электромагнитная волна, но и как поток частиц — фотонов. Используя корпускулярные представления в оптике, удобно объяснять явления поглощения света, фотоэффект, описывать энергетические характеристики излучения, давление света и другие.

В основу корпускулярных (квантовых) представлений положено предположение о том, что энергия излучающих атомов и молекул может изменяться не на любое произвольное значение, а на отдельные значения, порции, целое число которых формирует излучение этих атомов и молекул. Излучаемые порции энергии представляют собой корпускулы (частицы), называемые фотонами. При облучении фотонами вещества их энергия передаётся частицам, составляющим вещество, порциями, энергия которых связана частотой плоской монохроматической волны ${\displaystyle \nu }$ (которой сопоставляется корпускула — фотон):

${\displaystyle W_{\text{фотона}}=h\nu .}$ (1)

В корпускулярной оптике изучаются законы движения заряженных частиц (электронов, ионов) во внешних электрических и магнитных полях.

В рамках корпускулярной оптики изучают формирование пучков ионов и электронов, разрабатывают схемы их фокусировки, отклонения, отражения, воздействуя внешними электрическими или магнитными полями.

Фундаментальным уравнением, описывающим движение заряженной частицы в электромагнитном поле, является уравнение Лагранжа:

${\displaystyle {\frac {d{\bf {P}}}{dt}}={\frac {\partial L}{\partial {\bf {R}}}},}$ (2)

где ${\displaystyle {\bf {P}}}$ — обобщённый импульс, ${\displaystyle L}$ — лагранжиан, ${\displaystyle {\bf {R}}}$ — радиус-вектор частицы.

Лагранжиан заряженной частицы, движущейся в произвольном переменном электромагнитном поле, имеет вид:

${\displaystyle L=-m_{0}c^{2}(1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}})^{\frac {1}{2}}+Q{\Biggl (}{\textbf {A}}\cdot {\textbf {v}}-u{\Biggl )}.}$ (3)

Полная механическая энергия частицы равна сумме кинетической энергии и энергии покоя:

${\displaystyle W_{\text{полн. мех.}}=mc^{2}=m_{0}c^{2}+W_{\text{кин}},}$ (4)

а кинетическая энергия будет равна:

${\displaystyle W_{\text{кин}}=m_{0}c^{2}{\Biggl [}(1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}})^{-{\frac {1}{2}}}-1{\Biggl ]}.}$ (5)

На рисунках 1 и 2 показаны действия на электрон электрического и магнитного полей соответственно.

Достижения корпускулярной оптики используются в электронной микроскопии, электронно-лучевых трубках и других электронно-ионных приборах, анализаторах заряженных частиц, микроволновой технике, аппаратуре для работы с мощными электронными и ионными пучками, прецизионных зондах, ускорителях, приборах для формирования электронно-оптических изображений, аппаратуре для аналитической химии и многих других.