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电子光学与普通光学的相似性

来自 第一重 · 电子光学基础

开场:光学家族里,电子光学是“照着抄”的那个

翻几页你就会发现一件怪事:电子显微镜的光路图,长得和光学显微镜几乎一样——同样一根主轴、同样一块“透镜”、同样左边一个物、右边一个像。可电子明明不是光,凭什么画得一模一样?

答案很实在:它就是照着普通光学抄的。教材这一节把“抄”的清单开成了三栏——研究对象、物理现象、透镜。抄得很彻底,但也没全抄,末尾又老实交代了三处“这个我没抄”。

所以这一式不聊新物理,聊的是一门用法:把普通光学当字典来查。看懂它,后面讲衍射衬度、高分辨像的时候,你会发现自己早就“会”了。

一、研究对象:一个有质量,一个没质量,但都能写成波

先看最根上的差别:

  • 电子是实物粒子,有静止质量;
  • 光子没有静止质量。

一个是“有分量的家伙”,一个是“纯能量”。

但德布罗意一句“波粒二象性”就把这条界线拍模糊了:光子和电子,都既是粒子也是波。只要把它们都当波看,波场表达式就几乎一样。具体到两种最常见的波——

平面波,波前是一族互相平行的平面:

U = A eik·r(2-9)

球面波,从一个点源向四面八方扩散:

U = (A/r) eik·r(2-10)

式中各符号的含义:

式 (2-9)、(2-10) 中各符号的含义
符号含义
A振幅,为常数
k波矢,k = 2π/λ(矢量,与 r 做点积)
r位矢
🎬 动画 ① 同一个波,两种长相:平面波 与 球面波循环播放
平面波 · 波前是平面 波前:一族互相平行的平面 传播方向 球面波 · 波前是球面 波前:一族同心的球面 r 点光源 → 波前是同心球面 振幅 ∝ 1/r:越扩散越弱
左:平面波 (2-9)——波前一族平行、等间距,永远保持平行,振幅 A 是常数,走多远都不衰减。右:球面波 (2-10)——波前一族同心球面,从点光源一圈圈往外扩,越扩越疏、越扩越弱(振幅 ∝ 1/r)。两个式子摆在一起看,差别只有那个 1/r,其余完全一样。

注意 (2-10) 比 (2-9) 多的那个 1/r——它不是什么装饰品,它就是“球面波越扩越弱”这句话的数学写法。反过来,(2-9) 里的振幅 A 是个常数,所以理想平面波不衰减。

既然波场表达式长得一样,那么算衍射的办法就能整套搬过来——教材举的例子是普通光学里的半波带理论。这是“抄作业”的第一笔红利:以后遇到电子衍射的计算,先想想光学里怎么算的。

二、物理现象:五条一模一样的规矩

换成“看得见的现象”这一栏,相似度更夸张。教材一口气列了五条:

  • ① 折射定律(斯涅耳定律)——两边各自的“正弦比”守恒。光会拐弯,电子束也会,规则的写法一样。
  • ② 费马原理——走过的那条路,是光程最短的那条(等价于“最省时间”)。
  • ③ 惠更斯原理——波前上每一点都是新的波源。这一条最值钱:光学里的夫琅禾费衍射与菲涅耳衍射,在电子光学里都能找到对应物——电子衍射的光路与夫琅禾费衍射相似,而电子束的高分辨像要用菲涅耳衍射 + 惠更斯原理来理解。
  • ④ 阿贝成像原理——先衍射、再干涉,两步成像。两边都成立。
  • ⑤ 成像方法——叠层衍射成像、相位衬度成像等,用的是同一套招。
🎬 动画 ② 惠更斯原理:波前上每一点都在发新波循环播放
② 子波的包络 = 新的波前 原波前 波前上每一点 = 新的波源 子波
在原波前上取几个点,每一点都发出一个半圆形的子波;所有子波的公共切线(红)就是下一时刻的新波前,它随着半径一起向外推进。惠更斯原理一句话:波传到哪儿,那儿的每一点就变成新的波源。记住这条,后面理解电子衍射光路和高分辨像的成因都靠它。
① 和 ② 其实是同一件事。想象你是救生员:沙滩上跑得快,水里游得慢。要救的人在斜前方,你不会沿直线冲过去——你会先在沙滩上多跑一段,到某个位置再扎进水里。这条“改过一遍的折线”恰好就是最省时间的路径;而它在界面上的折点位置推出来的,正是折射定律。费马原理是“因”,折射定律是“果”。

三、透镜:两套透镜,一副脾气

第三栏是透镜。这一栏对用电镜的人最要紧,因为光学里的那些像差名词,后面会原样再出现一次。

  • ① 像差家族一模一样:球面像差(球差)、色差、像散、彗形像差(彗差)、像场弯曲、畸变——六种,两边同款。
  • ② 过光心不偏转:通过磁透镜 / 凸透镜光心的电子束 / 可见光,方向不变。
  • ③ 平行光聚到焦点:平行于主轴的电子束 / 可见光,经磁透镜 / 凸透镜后聚焦在主轴的焦点上;过焦点且垂直于主轴的平面叫焦平面。
  • ④ 副轴也一样:平行于某一副轴的电子束 / 可见光,会聚到该副轴与焦平面的交点。
  • ⑤ 成像规律同一条:
1/f = 1/L1 + 1/L2(2-11)
式 (2-11) 中各符号的含义
符号含义
f焦距
L1物距
L2像距

换成白话:焦距的倒数 = 物距的倒数 + 像距的倒数。

🎬 动画 ③ 三条特殊光线,交于一点循环播放
焦平面 主轴 透镜 物 F F′ L₁ 物距 像(倒立) L₂ 像距 f 焦距
三条特殊光线殊途同归:红=平行于主轴入射,出透镜后过 F′;橙=过光心的那条,不偏转;蓝=过 F 入射的那条,出透镜后平行于主轴。三条线交于同一点——那就是像。物距 L1、像距 L2 与焦距 f 满足式 (2-11),这条公式光学和电子光学共用。(浅虚线是焦平面:过焦点且垂直于主轴的平面。)

看到 (2-11) 的瞬间,上一式那个“旋钮”就活起来了:物距固定时,改焦距 f 就等于改像距 L2。而磁透镜改 f 只需要拧一个电流旋钮——电镜能“变焦”的全部秘密就在这儿,公式还是从光学借来的那条。

四、相似归相似,毕竟不是一个学科

抄得很像,但教材末尾老实留了个台阶,交代三处关键不同:

  • 电子有静止质量,光子没有——差在最根上的地方;
  • 磁透镜做不出“凹透镜”:普通光学里磨一块凹透镜很容易,而前面讲的简单磁透镜始终是(会聚的)凸透镜,当不了“磁凹透镜”;
  • 磁透镜焦距可变,普通凸透镜焦距基本不动:玻璃的 f 是磨出来的,磁透镜的 f 是电流调出来的。

三条里第二条最该记牢。它意味着电镜的“光路自由度”比光学仪器小——很多在光学里一块凹透镜就能摆平的布局,在电镜里得另想办法。

一句话记住

  • 电子光学几乎处处借鉴普通光学:研究对象都能写成波,物理现象遵循同一批原理,透镜遵循同一套成像规律。
  • 平面波 (2-9) U = Aeik·r(振幅是常数、不衰减);球面波 (2-10) U = (A/r)eik·r(振幅按 1/r 衰减)。差别只在这一项。
  • 五条共同现象:折射定律、费马原理、惠更斯原理、阿贝成像原理、共同的成像方法(叠层衍射成像、相位衬度成像)。
  • 惠更斯那条最值钱:电子衍射的光路与夫琅禾费衍射相似,高分辨像用菲涅耳衍射 + 惠更斯原理理解。
  • 透镜:六种像差同款;过光心不偏转;平行主轴的聚于焦点,过焦点且垂直主轴的平面是焦平面;平行副轴的聚于副轴与焦平面的交点。
  • 成像公式 (2-11):1/f = 1/L1 + 1/L2,两边共用。
  • 三处关键不同:电子有静止质量;磁透镜永远会聚、做不出凹透镜;磁透镜焦距可调,玻璃凸透镜基本不可调。