นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างลำอิเล็กตรอน "เฉียง" ซึ่งจะช่วยให้คุณสามารถติดตามปฏิกิริยาสดได้

แผนการทดลองของ Davisson – Germer (1927): K – นิกเกิลผลึกเดี่ยว; เอ – แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน B – ตัวรับอิเล็กตรอน; θ – มุมโก่งของลำอิเล็กตรอน

ลำแสงอิเล็กตรอนตกตั้งฉากกับระนาบขัดเงาของคริสตัล S เมื่อคริสตัลถูกหมุนรอบแกน O กัลวาโนมิเตอร์ที่เชื่อมต่อกับตัวรับ B จะให้ค่าสูงสุดที่เกิดขึ้นเป็นระยะๆ

การบันทึกค่าสูงสุดของการเลี้ยวเบนในการทดลอง Davisson – Germer เกี่ยวกับการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่มุมการหมุนที่แตกต่างกันของคริสตัล φ สำหรับสองค่าของมุมโก่งของอิเล็กตรอน θ และแรงดันไฟฟ้าเร่งสองค่า V ค่าสูงสุดสอดคล้องกับการสะท้อนจากระนาบผลึกศาสตร์ต่างๆ ซึ่งมีการระบุดัชนีไว้ในวงเล็บ

การทดลองสลิตคู่ในกรณีของแสงและอิเล็กตรอน

แสงหรืออิเล็กตรอน

การกระจายความเข้มบนหน้าจอ

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ

พอล เอเดรียน มอริส ดิแรก

(8.08.1902-1984)

7.2.3. หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก

กลศาสตร์ควอนตัม (กลศาสตร์คลื่น) –

ทฤษฎีที่กำหนดวิธีการอธิบายและกฎการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดเล็กในสนามภายนอกที่กำหนด

เป็นไปไม่ได้ที่จะทำการวัดโดยไม่ทำให้เกิดการรบกวนบางอย่างในวัตถุที่กำลังวัด แม้แต่สิ่งรบกวนที่อ่อนแอ การสังเกตโดยตรงทำให้เกิดความไม่แน่นอนอย่างมีนัยสำคัญต่อตำแหน่งหรือโมเมนตัมของอิเล็กตรอน นี่คือสิ่งที่มันเป็นทั้งหมดเกี่ยวกับ หลักความไม่แน่นอน,

สูตรแรกโดยไฮเซนเบิร์กในปี

อสมการของไฮเซนเบิร์ก

Dx Dp x ³ , Dy Dp และ ³ , Dz Dp z ³

Dt × D(E′ - E ) ³

7.2.4. ฟังก์ชันคลื่น AI

ใน ในกลศาสตร์ควอนตัม แอมพลิจูดของคลื่นอิเล็กตรอนเรียกว่าฟังก์ชั่นคลื่น

และ เขียนแทนด้วยอักษรกรีก "psi": Ψ

ดังนั้น Ψ จึงระบุแอมพลิจูดของสนามชนิดใหม่ ซึ่งอาจเรียกว่าสนามสสารหรือคลื่น ตามฟังก์ชันของเวลาและตำแหน่ง

ความหมายทางกายภาพของฟังก์ชัน Ψ คือ กำลังสองของโมดูลัสให้ความหนาแน่นของความน่าจะเป็น (ความน่าจะเป็นต่อหน่วยปริมาตร) ในการค้นหาอนุภาคในตำแหน่งที่สอดคล้องกันในอวกาศ

© A.V. บาร์มาซอฟ, 1998-2013

สไลด์ 1

* การบรรยายครั้งที่ 3 หลักการของความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นโดย L. de Broglie และการยืนยันการทดลอง การบรรยายสำหรับนักเรียน FNM, 2013 Interference of He atoms ในการทดลองแบบ double-slit N.V.Nikitin O.V.Fotina, P.R.Sharapova

สไลด์ 2

* Corpular - คลื่นทวินิยมสำหรับการแผ่รังสี อนุภาคของแสง: โฟตอน - ในบริเวณแสงที่มองเห็นได้ (คำศัพท์ของ Gilbert Lewis, 1926!!!) ควอนตัมแกมมา - ในบริเวณของช่วงรังสีเอกซ์ที่มีพลังงานสูง (พลังงานสูง) คำถาม: e- และ p เป็นอนุภาค ได้ไหม เงื่อนไขบางประการมีคุณสมบัติเป็นคลื่นหรือไม่?

สไลด์ 3

* ความเร็วเฟสและกลุ่มของคลื่น คลื่น: – ความเร็วเฟส – มิติความเร็ว โดยที่ γ – ความยาวคลื่น T – คาบคลื่น ความเร็วเฟส เนื่องจากคุณไม่ใช่ความเร็วในการส่งสัญญาณ สัญญาณจะถูกส่งด้วยกำลังสองของแอมพลิจูดของแพ็กเก็ตคลื่น ปล่อยให้: A(k) “จุดสูงสุด” ที่ k=k0 ให้เราแสดงว่าแพ็กเก็ตเคลื่อนที่ตาม – ความเร็วคลื่นของกลุ่ม: จากนั้น: นั่นคือสัญญาณจะถูกส่งจริงๆ ด้วยความเร็วกลุ่ม vg

สไลด์ 4

* หลักการของทวินิยมแบบคลื่นคอร์ปัสสลามของ Louis de Broglie Louis de Broglie ได้ขยายหลักการของทวินิยมแบบคลื่นคอร์ปัสสลามไปสู่สสาร (อนุภาคที่มีมวลนิ่งที่ไม่เป็นศูนย์) สมมติฐานของ De Broglie: “... บางทีร่างกายที่เคลื่อนไหวทุกตัวอาจมีคลื่นตามมาด้วย และมันเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกการเคลื่อนไหวของร่างกายและการแพร่กระจายของคลื่น” Louis-Victor-Pierre-Raymond, de Broglie (1892) - 1987) แอล. เดอ บรอกลี Ondes et quanta // Comptes rendus de l "Académie des sciences. - 1923. - เล่ม 177. - หน้า 507-510. การแปลภาษารัสเซีย: L. de Broglie. Waves and quanta // UFN. - 1967. - T. 93. - หน้า 178–180 หรือ แอล. เดอ บรอกลี “เลือกแล้ว งานทางวิทยาศาสตร์", เล่มที่ 1, หน้า 193-196, M. "โลโก้", 2010 รางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ (พ.ศ. 2472) เพื่อการค้นพบธรรมชาติของคลื่นของสสาร

สไลด์ 5

* การใช้สมมติฐานทางคณิตศาสตร์ของเดอ บรอกลี จำเป็นต้องเชื่อมโยงกระบวนการออสซิลเลชันกับแต่ละอนุภาคอย่างสม่ำเสมอ ธรรมชาติของกระบวนการสั่นนี้ยังไม่ได้รับคำตอบ มีการใช้แนวทางเชิงสัมพัทธภาพ กระบวนการสั่นใน K": โดยที่ u คือความเร็วเฟสของคลื่นของสสาร กระบวนการสั่นใน K (มุมมองของคลื่น"): แต่ และ - สอดคล้องกับกระบวนการสั่นเดียวกัน: กระบวนการสั่นใน K (จุด "ร่างกาย" ของมุมมอง):

สไลด์ 6

* การดำเนินการทางคณิตศาสตร์ของสมมติฐานของ de Broglie: ความเร็วเฟสและกลุ่ม ความเท่าเทียมกันของกระบวนการออสซิลเลชันหมายความว่า: ให้ n=0 นอกจากนี้ x=vt ดังนั้นความเร็วเฟสของคลื่น de Broglie คือ: ความเร็วของกลุ่ม: ดังนั้น: vg = v นั่นคือความเร็วของกลุ่มของคลื่น de Broglie เท่ากับความเร็วของอนุภาคที่เกี่ยวข้องกับคลื่นนี้ทุกประการ! ชัยชนะของทฤษฎี!!!

สไลด์ 7

* โมเมนตัมความยาวคลื่น De Broglie ของอนุภาคสัมพัทธภาพ ให้เราแสดงให้เห็นว่าจากมุมมองของคลื่น de Broglie มันสามารถเขียนได้จริง: นี่เป็นอีกสูตรทางคณิตศาสตร์อีกสูตรหนึ่งของการรวมตัวกันของทวินิยมของคลื่นและอนุภาค ความยาวคลื่น De Broglie: การประมาณเชิงตัวเลข: a) ความยาวคลื่น de Broglie ของลูกเทนนิสโดยมีค่า m = 50 g และ v = 10 m/c ขนาดของลูกบอล => สำหรับวัตถุที่มองเห็นด้วยตาเปล่า คุณสมบัติของคลื่นจะไม่ปรากฏ b) อิเล็กตรอนเร่งให้เป็นพลังงาน Ee=100 eV เพราะ mec2γ0.51 MeV จากนั้นคุณสามารถใช้สูตรที่ไม่สัมพันธ์กัน: ─ เทียบได้กับความยาวคลื่น การฉายรังสีเอกซ์.

สไลด์ 8

* การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน ในปี 1927 Davisson และ Jammer ค้นพบการเลี้ยวเบนของลำอิเล็กตรอนเมื่อสะท้อนจากผลึกนิกเกิล ดังที่แสดงในสไลด์ที่แล้ว ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนที่มีพลังงานประมาณ 100 eV ของเดอ บรอกลี จะเท่ากันตามลำดับความสำคัญของความยาวคลื่นของการแผ่รังสีเอกซ์ ดังนั้นจึงสามารถสังเกตการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนได้ในระหว่างการกระเจิงบนผลึก K - นิกเกิลผลึกเดี่ยว เอ - แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน B - ตัวรับอิเล็กตรอน; θ คือมุมโก่งของลำอิเล็กตรอน ลำแสงอิเล็กตรอนตกตั้งฉากกับระนาบขัดเงาของคริสตัล S เมื่อคริสตัลถูกหมุนรอบแกน O กัลวาโนมิเตอร์ที่เชื่อมต่อกับตัวรับ B จะให้ค่าสูงสุดที่เกิดขึ้นเป็นระยะๆ

สไลด์ 9

* ถ้าอิเล็กตรอนถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าที่มีแรงดันไฟฟ้า V พวกมันก็จะได้พลังงานจลน์ Ee = |e|V (e คือประจุของอิเล็กตรอน) ซึ่งหลังจากแทนที่ในสูตรเดอบรอกลี จะได้ค่าตัวเลข ค่าของความยาวคลื่น โดยที่ V แสดงเป็น V และ - เป็นนาโนเมตร (1 นาโนเมตร = 10-7 ซม.) ที่แรงดันไฟฟ้า V ของลำดับ 100 V ซึ่งใช้ในการทดลองเหล่านี้เรียกว่าอิเล็กตรอน "ช้า" ของลำดับ 0.1 นาโนเมตร ค่านี้ใกล้กับระยะห่างระหว่างอะตอม d ในผลึก ซึ่งเท่ากับหนึ่งในสิบของนาโนเมตรหรือน้อยกว่า ดังนั้นเราจึงได้ ~ d ซึ่งให้เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการเกิดการเลี้ยวเบน

สไลด์ 10

* การทดลองโดย Biberman – Sushkin – Fabrikant เกี่ยวกับการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนเดี่ยว (DAN USSR v. 66, no. 2, p. 185 (1949)) คำถาม: บางทีคุณสมบัติคลื่นของอนุภาคขนาดเล็กอาจเกี่ยวข้องกับความจริงที่ว่าคานของอนุภาค ( e) เข้าร่วมในการทดลอง -, p, γ ฯลฯ) และหนึ่ง e- หรือ γ จะมีพฤติกรรมเหมือน "ลูกบอลคลาสสิก"? คำตอบ: ไม่มันไม่ใช่! ความเร็ว e-: เวลาที่บิน ความเข้มของลำแสง เวลาระหว่างการเคลื่อนที่ของ e- สองตัว ความน่าจะเป็นที่มี e- สองตัวในอุปกรณ์พร้อมกัน สังเกตรูปแบบการเลี้ยวเบนจากชุดอิเล็กตรอนเดี่ยวบนแผ่นภาพถ่าย

สไลด์ 11

* A. การทดลองของ Tonomura เกี่ยวกับการรบกวนของอิเล็กตรอนเดี่ยว (1989) เพื่อสร้างอะนาล็อกของสองสลิต มีการใช้ปริซึมอิเล็กตรอนคู่: อิเล็กตรอนมีความเร่งถึง 50 KeV ผ่านระหว่างแผ่นเปลือกโลกสองแผ่นและถูกเบี่ยงเบนด้วยลวดเส้นเล็กที่มี ศักยภาพเชิงบวกที่อยู่ระหว่างพวกเขา รายละเอียดของการทดลองในงาน: A. Tonomura et al., Am. เจ. ฟิส., เล่ม. 57, หน้า. 117-120 (1989)

สไลด์ 12

* ผลการทดลองโดย A. Tonomur แต่ละจุดบ่งชี้การเข้ามาของอิเล็กตรอนเข้าสู่หน้าจอการตรวจจับ ก) 10 อิเล็กตรอน ข) 100 อิเล็กตรอน ค) 3,000 อิเล็กตรอน ง) 20,000 อิเล็กตรอน จ) 70,000 อิเล็กตรอน

สไลด์ 13

* การรบกวนของนิวตรอนที่ผ่านช่องสองช่อง (1991) A. Zeilinger และเพื่อนร่วมงานสังเกตการรบกวนของนิวตรอนที่ช้า (v = 2 กม./วินาที) ที่ช่องสองช่องที่เกิดขึ้นในวัสดุดูดซับนิวตรอน ความกว้างของแต่ละช่องคือ 20 μm ระยะห่างระหว่างช่องคือ 126 μm สำหรับรายละเอียดการทดลอง โปรดดูที่ Amer เจ. ฟิส. 59, หน้า 316 (1991)

สไลด์ 14

* การทดลองเกี่ยวกับการแทรกสอดของอะตอม He (1991, 1997) ดูรายละเอียดการทดลองได้ที่ O.Carnal, J.Mlynek, Physical Review Letters, 66, p.2689 (1991) และ Ch.Kurtsiefer, T.Pfau, J .Mlynek, ธรรมชาติ, 386, หน้า 150 (1997)

สไลด์ 15

การทดลองการแทรกสอดของอะตอม Na (1991) * อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ประกอบด้วยตะแกรงการเลี้ยวเบน 3 ชิ้น แต่ละชิ้นมีคาบ 400 นาโนเมตร ซึ่งอยู่ห่างจากกัน 0.6 เมตร อะตอม Na มี v= 1 km/s ซึ่งสอดคล้องกับ แลมบ์ดา 1.6*10-2 นาโนเมตร อะตอมหักเหบนโครงตาข่ายที่ 1 ลำแสงของลำดับศูนย์และลำดับที่หนึ่งตกลงบนตะแกรงที่สอง ซึ่งพวกมันผ่านการเลี้ยวเบนของลำดับที่หนึ่งและลบลำดับแรก เพื่อให้พวกมันมาบรรจบกันที่ตะแกรงที่สาม ตะแกรงสองอันแรกก่อให้เกิดรูปแบบการรบกวนในระนาบของตะแกรงที่สามซึ่งใช้เป็นตะแกรง ดู D.W. Keith et al., Physical Review Letters, 66, p.2693 (1991) สำหรับรายละเอียดการทดลอง เทียบกับลิงค์สไลด์ที่แล้ว!!!สไลด์ 17 * การทดลองเรื่องการแทรกสอดของโมเลกุล C60 (1999) ระยะห่างระหว่างศูนย์ถึงจุดสูงสุดแรกคือ: x = L / d = 31 m รูปที่ a) แสดงการกระจายตัวของโมเลกุล C60 ต่อหน้า ตะแกรงเลี้ยวเบน- การเลี้ยวเบนของโมเลกุลฟูลเลอรีนบนโครงตาข่ายสามารถมองเห็นได้ รูป b) สอดคล้องกับสถานการณ์เมื่อถอดกระจังหน้าออก ไม่มีการเลี้ยวเบน รายละเอียดของการทดลองสามารถพบได้ใน: M. Arndt et al., Nature 401, p.680 (1999)

ตัวอย่าง 4.1.(C4)ฟิล์มสบู่เป็นชั้นน้ำบาง ๆ บนพื้นผิวซึ่งมีชั้นโมเลกุลของสบู่ที่ให้ความเสถียรทางกลและไม่ส่งผลกระทบต่อ คุณสมบัติทางแสงภาพยนตร์ ฟิล์มสบู่ถูกขึงไว้บนกรอบสี่เหลี่ยม สองด้านเป็นแนวนอน และอีกสองด้านเป็นแนวตั้ง ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ภาพยนตร์เรื่องนี้จึงมีรูปร่างเป็นลิ่ม (ดูรูป) ซึ่งความหนาที่ด้านล่างกลายเป็นมากกว่าด้านบน เมื่อสี่เหลี่ยมจัตุรัสถูกส่องสว่างด้วยลำแสงเลเซอร์คู่ขนานที่มีความยาวคลื่น 666 นาโนเมตร (ในอากาศ) ซึ่งตกกระทบในแนวตั้งฉากกับฟิล์ม แสงส่วนหนึ่งจะสะท้อนจากมัน ทำให้เกิดรูปแบบการรบกวนบนพื้นผิวซึ่งประกอบด้วยแถบแนวนอน 20 แถบ . ความหนาของฟิล์มสบู่ที่ฐานของลิ่มจะมากกว่าความหนาด้านบนเท่าใด หากดัชนีการหักเหของน้ำเท่ากับ ?

สารละลาย.จำนวนแถบบนฟิล์มถูกกำหนดโดยความแตกต่างในเส้นทางของคลื่นแสงในส่วนล่างและส่วนบน: Δ = Nแลม"/2 โดยที่ แลมบ์"/2 = แลมบ์/2n คือจำนวนครึ่งคลื่นใน สารที่มีดัชนีการหักเหของแสง n, N คือจำนวนแถบ และความหนาของฟิล์มที่แตกต่างกัน Δ ในส่วนล่างและส่วนบนของลิ่ม

จากตรงนี้เราจะได้ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น รังสีเลเซอร์ในอากาศ แลมบ์ และพารามิเตอร์ของฟิล์มสบู่ ซึ่งคำตอบมีดังนี้ Δ = Nแล/2n

ตัวอย่าง 4.2.(C5)เมื่อศึกษาโครงสร้างแล้ว ตาข่ายคริสตัลลำอิเล็กตรอนที่มีความเร็วเท่ากันจะตั้งฉากกับพื้นผิวผลึกตามแนวแกนออนซ์ ดังแสดงในรูป หลังจากทำปฏิกิริยากับคริสตัลแล้ว อิเล็กตรอนที่สะท้อนจากชั้นบนจะถูกกระจายไปทั่วอวกาศ ดังนั้นจึงสังเกตการเลี้ยวเบนสูงสุดได้ในบางทิศทาง มีลำดับสูงสุดในลำดับแรกในระนาบ Ozx ทิศทางของมุมสูงสุดนี้ทำมุมกับแกนออนซ์ถ้า พลังงานจลน์อิเล็กตรอนคือ 50 eV และคาบของโครงสร้างผลึกของโครงตาข่ายอะตอมตามแกน Ox คือ 0.215 นาโนเมตร?

สารละลาย.โมเมนตัม p ของอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์ E และมวล m เท่ากับ p = - ความยาวคลื่นเดอบรอกลีสัมพันธ์กับโมเมนตัม แล = = - ค่าสูงสุดของการเลี้ยวเบนครั้งแรกสำหรับตะแกรงที่มีคาบ d จะถูกสังเกตที่มุม α ซึ่งเป็นไปตามเงื่อนไข sin α =

คำตอบ: บาป α = data 0.8, α = 53 o

ตัวอย่าง 4.3.(C5)เมื่อศึกษาโครงสร้างของชั้นโมโนโมเลกุลของสาร ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีความเร็วเท่ากันจะถูกตั้งฉากกับชั้นที่กำลังศึกษา จากการเลี้ยวเบนของโมเลกุลที่ก่อตัวเป็นโครงตาข่ายเป็นคาบ อิเล็กตรอนบางตัวจะเบี่ยงเบนไปในมุมที่กำหนด ทำให้เกิดค่าสูงสุดของการเลี้ยวเบน อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าใด ถ้าค่าสูงสุดของการเลี้ยวเบนแรกสอดคล้องกับการเบี่ยงเบนของอิเล็กตรอนในมุม α=50° จากทิศทางเดิม และคาบของโครงตาข่ายโมเลกุลคือ 0.215 นาโนเมตร

สารละลาย.โมเมนตัม p ของอิเล็กตรอนสัมพันธ์กับความเร็วของมัน p = mv ความยาวคลื่นของเดอ บรอกลีถูกกำหนดโดยโมเมนตัมของอิเล็กตรอน แล = = ค่าสูงสุดของการเลี้ยวเบนครั้งแรกสำหรับตะแกรงที่มีคาบ d จะถูกสังเกตที่มุม α ซึ่งเป็นไปตามเงื่อนไข sin α = = วี = .

ตัวอย่างที่ 4.4 (C5)โฟตอนที่มีความยาวคลื่นสอดคล้องกับขีดจำกัดสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากแผ่นโลหะ (แคโทด) ในภาชนะที่มีการอพยพอากาศออกไป และไฮโดรเจนจำนวนเล็กน้อยได้ถูกนำมาใช้ อิเล็กตรอนถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าคงที่จนมีพลังงานเท่ากับพลังงานไอออไนเซชันของอะตอมไฮโดรเจน W = 13.6 eV และทำให้เกิดไอออนในอะตอม โปรตอนที่เกิดขึ้นจะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าที่มีอยู่และชนกับแคโทด โมเมนตัม p m ถูกถ่ายโอนไปยังจานโดยโปรตอนมากกว่าโมเมนตัม p e สูงสุดของอิเล็กตรอนที่ทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนกี่ครั้ง ความเร็วเริ่มต้นของโปรตอนจะถือว่าเป็นศูนย์ และการกระแทกถือว่าไม่ยืดหยุ่นอย่างแน่นอน

สารละลาย.พลังงาน E e ที่ได้จากอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้าเท่ากับพลังงาน E p ที่ได้จากโปรตอน และเท่ากับพลังงานไอออไนเซชัน: E e = E p = W นิพจน์สำหรับโมเมนตัม:

โปรตอน: p p = m n v n หรือ p p = ;

อิเล็กตรอน: p e = m e v e หรือ p e = - จากที่นี่ .

ตัวอย่างที่ 4.5 (C6)เพื่อเร่งยานอวกาศเข้ามา นอกโลกและการแก้ไขวงโคจรของพวกเขาก็เสนอให้ใช้ใบเรือสุริยะ - หน้าจอน้ำหนักเบาติดอยู่กับอุปกรณ์ พื้นที่ขนาดใหญ่ทำจากฟิล์มบางที่สะท้อน แสงแดด- น้ำหนัก ยานอวกาศ(รวมใบเรือ) ม. = 500 กก. ความเร็วของยานอวกาศในวงโคจรดาวอังคารจะเปลี่ยนไปกี่ m/s ใน 24 ชั่วโมงหลังจากปล่อยใบเรือ ถ้าใบเรือมีขนาด 100 x 100 เมตร และกำลัง W ของการแผ่รังสีดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบบนพื้นผิว 1 เมตร 2 คือ ตั้งฉากกับ แสงอาทิตย์, 1370 W ใกล้โลกใช่หรือไม่? สมมติว่าดาวอังคารอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์มากกว่าโลก 1.5 เท่า

สารละลาย.สูตรคำนวณความดันของแสงระหว่างการสะท้อนแสง: p = แรงดัน: F = - การพึ่งพาพลังงานรังสีที่มีระยะห่างจากดวงอาทิตย์: ( - การใช้กฎข้อที่สองของนิวตัน: F = m เอ,เราได้รับคำตอบ: Δv = .

ดี. เอห์เบอร์เกอร์ และคณะ /ฟิส. สาธุคุณ เล็ตต์

นักฟิสิกส์จากเยอรมนีได้เรียนรู้ที่จะสร้างลำอิเล็กตรอน femtosecond แบบ "เอียง" ซึ่งหน้าคลื่นจะแพร่กระจายในมุมหนึ่งไปยังทิศทางการเคลื่อนที่ของลำแสง เมื่อต้องการทำเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์ส่งอิเล็กตรอนผ่านกระจกอะลูมิเนียมบางๆ และฉายรังสีเทราเฮิร์ตซ์ไปบนอิเล็กตรอน เพื่อยืดและหมุนลำแสง บทความที่ตีพิมพ์ใน จดหมายทบทวนทางกายภาพ, รายงานโดยย่อเกี่ยวกับเรื่องนี้ ฟิสิกส์- ผลลัพธ์นี้จะช่วยให้ได้รับความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาที่ดีขึ้นอย่างมากในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนบางประเภท และจะทำให้สามารถติดตามความคืบหน้าของปฏิกิริยาเคมีแบบเรียลไทม์ได้ เป็นต้น

ในอดีต นักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงเพื่อศึกษาวัตถุขนาดเล็ก - กล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวถูกสร้างขึ้นครั้งแรกเมื่อต้นศตวรรษที่ 17 และด้วยความช่วยเหลือของพวกเขาที่นักชีววิทยาค้นพบ สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวและศึกษาโครงสร้างเซลล์ของเนื้อเยื่อ น่าเสียดายที่ความสามารถของกล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวถูกจำกัดด้วยขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ซึ่งไม่อนุญาตให้แยกวัตถุที่มีขนาดลักษณะเฉพาะเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ (400–750 นาโนเมตร) มาก ในทางกลับกัน ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการแทนที่โฟตอนด้วยอนุภาคที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า เช่น อิเล็กตรอนเชิงสัมพัทธภาพ วิธีนี้ช่วยให้คุณเพิ่มความละเอียดเป็นสิบส่วนของอังสตรอมและดูอะตอมและโมเลกุลแต่ละรายการได้

ใน เมื่อเร็วๆ นี้นักฟิสิกส์มีความสนใจมากขึ้นไม่เพียง แต่ในเชิงพื้นที่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงลักษณะทางโลกของกระบวนการที่สังเกตด้วย - ตัวอย่างเช่นพวกเขากำลังพยายามดู ยังไงอะตอมในอวกาศหรือมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน ปฏิกิริยาเคมี- ในการจับคุณลักษณะดังกล่าว จำเป็นต้องได้รับลำอิเล็กตรอน "ที่ถูกบีบอัด" ซึ่งเวลาลักษณะเฉพาะของการเคลื่อนที่ (เช่น เวลาที่อิเล็กตรอนผ่านตัวอย่าง) จะต้องไม่เกินเวลาลักษณะของกระบวนการที่กำลังศึกษา ตามกฎแล้ว เวลานี้จะเท่ากับหลายเฟมโตวินาที (หนึ่งเฟมโตวินาที = 10 −15 วินาที)

น่าเสียดายที่อิเล็กตรอนภายในลำแสงมีประจุไฟฟ้าที่ไม่เป็นศูนย์และผลักกัน ส่งผลให้ลำแสงเบลอในเวลาและพื้นที่ ด้วยเหตุนี้ในทางปฏิบัติจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับคาน "บีบอัด" เป็นเวลานาน ความสำเร็จได้รับการรายงานครั้งแรกในปี 2554 โดยนักฟิสิกส์ทดลองชาวฝรั่งเศสเท่านั้น นอกจากนี้ลำแสงดังกล่าวยังควบคุมได้ยากและ ช่วงเวลานี้ความสามารถของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนยังตามหลังกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถเร่ง บีบอัด ปรับ และแยกลำแสงอิเล็กตรอนที่สั้นเกินขีดได้โดยใช้วิธีการที่คล้ายคลึงกับกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง แต่การใช้งานจริงหลายอย่างจำเป็นต้องมีโครงสร้างลำแสงที่ซับซ้อนมากขึ้น

ทีมนักวิจัยที่นำโดย Peter Baum ได้คิดค้นวิธี "เอียง" หน้าคลื่นของลำอิเล็กตรอน femtosecond ที่สัมพันธ์กับทิศทางที่มันกำลังเคลื่อนที่ เมื่อลำแสงอิเล็กตรอน "เอียง" ตกตั้งฉากกับพื้นผิวของตัวอย่าง "คลื่น" ของพลังงานจะเริ่มเคลื่อนที่ไปตามนั้นด้วยความเร็วที่มีประสิทธิภาพ โวลต์ = ค/tgθ ที่ไหน กับคือความเร็วลำแสง และ θ คือมุมเอียง ในคานธรรมดา (θ = 0°) พลังงานจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกัน ในกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง การได้รับลำแสง "เอียง" นั้นง่ายมาก เพียงแค่ส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านปริซึม และเนื่องจากการกระจายตัว ฮาร์โมนิคที่มีความถี่ต่างกันจะหักเหในมุมที่ต่างกัน ทำให้เกิดหน้าคลื่นเอียง ตามกฎแล้วคานดังกล่าวจะใช้เพื่อกระตุ้นตัวอย่าง น่าเสียดายที่วิธีนี้ใช้ไม่ได้กับคานอิเล็กตรอน

โครงการรับลำแสงออปติคอล "เอียง" (บน) และลำแสงอิเล็กตรอน (ล่าง)

เอพีเอส/อลัน สโตนเบรกเกอร์

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์สามารถคิดวิธี "เอียง" ลำอิเล็กตรอนได้โดยใช้กระจกฟอยล์โลหะ สาระสำคัญของวิธีนี้คืออยู่ภายใต้อิทธิพล สนามไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอิเล็กตรอนของลำแสงถูกเร่งและรูปร่างของมันเปลี่ยนไป และเนื่องจากลักษณะเฉพาะเวลา การสั่นสะเทือนทางแม่เหล็กไฟฟ้า(10−12 วินาที) นานกว่าเวลาลักษณะเฉพาะของการเคลื่อนที่ของลำแสงมาก (10−15 วินาที) สนามนี้ถือว่า "หยุดนิ่ง" ในเวลา และส่วนเชิงพื้นที่ของสนามสามารถอธิบายได้ว่าเป็น "ภาพรวมทันที" ของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ในรูปส่วนนี้แสดงด้วยไซนัสอยด์ที่สะท้อนขนาดสัมบูรณ์ของเวกเตอร์แรงดึง)

หากสนามตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของลำแสงส่วนหน้าและด้านหลังของมันจะ "แยกออกจากกัน" ในทิศทางตรงกันข้ามที่ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่และลำแสงจะเอียง ถ้าสนามพุ่งไปตามลำแสง ส่วนหน้าและหลังจะถูก "กด" เข้าหากัน นักวิทยาศาสตร์ใช้กระจกที่ทำจากอลูมิเนียมฟอยล์บางๆ (หนาประมาณ 10 นาโนเมตร) เพื่อรวมเอฟเฟกต์ทั้งสองเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ลำแสงที่เอียงและบีบอัด ซึ่งส่งอิเล็กตรอนได้อย่างอิสระและสะท้อนรังสีเทราเฮิร์ตซ์เกือบทั้งหมด นักวิจัยมั่นใจได้ว่าองค์ประกอบตามยาวและตามขวางของสนามไฟฟ้าของคลื่นเรียงกันในลักษณะที่ต้องการ และหมุนหน้าคลื่นของลำอิเล็กตรอนให้สัมพันธ์กับทิศทางการเคลื่อนที่ของกระจกด้วยการหมุนกระจกในมุมที่ต้องการ ความถี่ของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าคือ 0.3 เทราเฮิร์ตซ์ และพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนสูงถึง 70 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งสอดคล้องกับความเร็วอนุภาคประมาณ 0.5 ของความเร็วแสง

การบิดเบี้ยวของรูปร่างลำแสงภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าตามขวาง (ซ้าย) และตามยาว (ขวา)

เอพีเอส/อลัน สโตนเบรกเกอร์

เป็นผลให้นักวิทยาศาสตร์สามารถรับลำแสงที่มีมุมเอียงได้ถึง θ = 10 องศา (ที่ค่ามากกว่านั้น ลำแสงจะเบลอเกินไป) ผลการทดลองสอดคล้องกับทฤษฎีเป็นอย่างดี ความยาวคลื่นของลำแสงดังกล่าวสั้นกว่าความยาวคลื่นของลำแสง "เอียง" แบบออปติคอลหนึ่งร้อยล้านเท่าซึ่งทำให้สามารถเพิ่มความละเอียดของวัตถุที่กำลังศึกษาได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ อิเล็กตรอนในลำแสงยังมีพฤติกรรมเกือบเป็นอิสระ: เชิงพื้นที่ ในเดือนกรกฎาคม 2559 นักฟิสิกส์ Andrei Ryabov และ Peter Baum (ผู้เขียนร่วมสองในสามคน งานใหม่) เทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบใหม่ที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอน femtosecond และช่วยให้คุณเห็นการสั่นสะเทือนที่เร็วมาก สนามแม่เหล็กไฟฟ้า- ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2560 นักวิจัยชาวสวิสได้นำวิธีการรับภาพสามมิติของวัตถุนาโนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน เมื่อต้องการทำเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์ "บีบอัด" ลำอิเล็กตรอนเข้าไปในกรวยแคบโดยใช้ระบบโฟกัสเลนส์แม่เหล็ก และในเดือนกรกฎาคม 2561 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันความละเอียดสูงสุด 0.039 นาโนเมตรของภาพที่ได้รับโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน ในการทำเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิค ptychography นั่นคือพวกเขาสร้างภาพขึ้นใหม่โดยใช้ จำนวนมากสเปกตรัมการเลี้ยวเบนที่ได้รับภายใต้พารามิเตอร์การถ่ายภาพต่างๆ

มิทรี ทรูนิน