Физика в технике

Исследования Столетова показали, что скорость электрона, выбитого из металла падающим на него световым потоком, не зависит от интенсивности падающего света, а зависит только от длины его волны. Этот факт нельзя было объяснить, основываясь на представлении о свете как о чисто волновом процессе, распространяющемся подобно волнам коды от брошенного в нее камня.

Основываясь на гипотезе квантов, А. Эйнштейн объяснил это явление следующим образом. Энергия кванта света, равная произведению h (постоянная Планка) на ν (частота), расходуется при взаимодействии кванта с атомами металла на выбивание электрона из металла, т. е. на преодоление так называемой работы выхода, и на сообщение выбитому электрону кинетической энергии, равной ¹⁄₂ mv²₁ где m — масса и v — скорость выбитого электрона.

Таким образом, чем больше частота кванта света, тем больше его энергия и, следовательно, тем больше скорость выбитого электрона, поскольку для каждого данного металла величина работы выхода постоянна.

Тот факт, что излучение и поглощение света возможны только вполне определенными порциями, говорит о том, что сами излучающие системы (атомы) также должны обладать квантовыми свойствами.

Электронные оболочки атомов, участвующие в процессе испускания и поглощения квантов света, должны быть распределены в пространстве не непрерывно, а дискретно, т. е. каждая электронная оболочка атома должна обладать вполне определенной потенциальной энергией. Переход электрона с более удаленной от ядра оболочки на менее удаленную сопровождается излучением кванта света, причем его энергия в точности равна разности энергий двух соседних оболочек, между которыми произошел «перескок» электрона (рис. 12).

Эта гипотеза была выдвинута впервые датским физиком Нильсом Бором, которого считают одним из основоположников квантовой механики. Гипотеза Бора помогла объяснить дискретный характер спектров атомов различных элементов и сделала возможным изучение строения атомов на основе анализа их спектров. Но эта гипотеза, являясь по существу лишь первым шагом в объяснении закономерностей микромира, была не вполне точной и не во всех случаях давала правильные объяснения тем или иным явлениям.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о том, что не только свет, а любая микрочастица обладает одновременно и корпускулярными и волновыми свойствами.

Эта идея де Бройля была подтверждена американскими физиками Дэвиссоном и Джермером, которые в 1927 г. наблюдали диффракцию электронов, т. е. обнаружили проявление волновых свойств у электронов.

Согласно де Бройлю каждая элементарная частица, движущаяся со скоростью v, обладает собственной длиной волны

где h — постоянная Планка;

m — масса частицы.

Открытие волновых свойств микрочастиц сыграло большую роль в развитии микроскопии и позволило повысить полезное увеличение микроскопов до миллиона раз.

Чем же обусловлено полезное увеличение микроскопа?

Прежде всего оно зависит от разрешающей способности микроскопа, т. е. от того минимального расстояния, на котором две светящиеся точки еще не сливаются в одну. Разрешающая способность микроскопа, в свою очередь, обратно пропорциональна длине световой волны λ и тем больше, чем меньше длина волны.

Предельная разрешающая способность современных микроскопов равна двум — трем десятитысячным долям миллиметра, т. е. соизмерима с длиной волны фиолетового света, равной примерно четырем десятитысячным долям миллиметра (0,4 микрона).

В чем же причина того, что нельзя получить более высокую разрешающую способность у обычных оптических микроскопов?

Дело заключается в том, что, если размеры увеличиваемого предмета соизмеримы с длиной облучающей его световой волны, то в этом случае происходит диффракция волны на объекте, т. е. огибание его светом. Поэтому, каково бы ни было увеличение микроскопа (рис. 13), нельзя увидеть объекты, размеры которых много меньше длины световой волны.

Если вместо потока световых квантов использовать поток электронов (электронные волны), то в этом случае можно добиться гораздо большей степени разрешения, поскольку длина электронных волн в десятки тысяч раз короче длины световых волн.

Так, если электроны ускоряются с помощью напряжения в 50 киловольт, то их скорость будет равна 1,26·10¹⁰ сантиметрам в секунду, что соответствует длине волны, равной пятимиллионным долям микрона, в то время как длина волн видимого света примерно в 100 000 раз больше.

Схема электронного микроскопа, основанного на таком принципе, показана на рис. 14.

Электронная микроскопия широко применяется во многих областях науки и техники. С помощью электронных микроскопов можно видеть такие малые объекты, как фильтрующиеся вирусы, размеры которых составляют 0,01—0,5 микрон, изучать детали на поверхности различных металлов и сплавов, от качества которых во многом зависит их прочность. Электронные микроскопы позволяют заглянуть внутрь живой клетки и исследовать кристаллическую структуру того или иного вещества, изучать строение крупных молекул и многое другое. Современные электронные микроскопы имеют разрешающую способность до 30–50 ангстрем.

В последнее время появились микроскопы, в которых вместо пучка электронов используют пучок более тяжелых частиц — протонов, т. е. ядер атомов водорода. Поскольку масса протона почти в две тысячи раз больше массы электрона, то дебройлевская длина волны, связанная с этой частицей, оказывается почти в две тысячи раз короче электронной волны (при одинаковых скоростях протона и электрона). Таким образом, разрешающая способность протонных микроскопов, или, как их называют, протонных проекторов, может быть доведена до такой величины, что станет возможным видеть отдельные атомы и молекулы.

Однако квантовая механика определяет тот предел, ниже которого принципиально невозможно получать более высокие разрешающие способности любых приборов. Поэтому, например, принципиально невозможно «увидеть» расположение отдельных электронов в атоме, а можно говорить лишь о наиболее вероятных областях их локализации, соответствующих определенным энергетическим уровням данного атома.

Современная квантовая механика является такой наукой, которая позволяет не только качественно объяснять те или иные процессы, протекающие в микромире, но и количественно их рассчитывать. С помощью квантовой механики могут быть объяснены строение атомов, связи атомов в молекуле, строение и свойства атомных ядер, рассчитываться процессы взаимодействия элементарных частиц и света с веществом, распад и устойчивость атомных ядер и др.

Наиболее полное и точное представление о молекулах некоторых простейших химических соединений также может быть получено с помощью квантовой механики.

В настоящее время методами квантовой механики еще нельзя точно исследовать сложные химические соединения, такие, как, например, органические молекулы. Это объясняется чрезвычайной трудностью решения уравнений, которые описывают взаимодействие элементов тех или иных молекул. Однако с развитием науки, и в частности математики, ученые, безусловно, получат возможность не только описывать свойства и строение различных молекул, но и на основе теоретического предвидения получать такие вещества, которые обладали бы всеми необходимыми свойствами.