Л.К. Мартинсок, Е.В. Смирнов - Квантовая физика (1023618), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Подобно тому как первые опыты по дифракции рентгеновского излучения на кристаллах, выявившие периодичность в расположении атомов в кристалле, привели к созданию нового метода исследования структуры твердых тел — рентгенографии, так и первые опыты по дифракции электронов и нейтронов на кристаллах положили начало новым методам изучения структуры вещества. Метод исследования структуры вещества, основанный на дифракции электронов, получил название электронографии, а метод, основанный на дифракции нейтронов, — нейтронографии.
В настоящее время электронография широко применяется для изучения структуры кристаллов, аморфных тел, жидкостей, а также молекул газов и паров. В связи с тем, что электроны сильно поглощаются веществом, этот метод позволяет исследовать структуру только довольно тонких кристаллов и кристаллических пленок. А использование в опыте медленных электронов, которые проникают в кристалл на очень малую глубину, дает возможность получать информацию об очень тонком приповерхностном слое кристаллов. Дифракция медленных электронов в настоящее время является одним из наиболее информативных методов исследования поверхности твердых тел, она позволяет изучать перестройку кристаллической структуры на поверхности, явления адсорбции и самые начальные стадии кристаллизации твердых тел.
С помощью электронографии также изучают атомную структуру ближнего порядка в аморфных 102 елях, стеклах и жидкостях и, кроме того, структуру молекул газов и характер их тепловых колебаний в широком температурном интервале.
Очень широко применяются в структурных исследованиях нейтронографические методы. Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому в отличие от электрона обладает высокой проникающей способностью, что позволяет исследовать свойства вещества во всем объеме. Поскольку дебройлевская длина волны 1в тепловых нейтронов имеет тот же порядок, что и расстояния между атомами в конденсированных средах, дифракция нейтронов дает возможность изучать взаимное расположение атомов, т. е.
структуру вещества. В силу того что масса нейтрона соизмерима с массой атома, а кинетическая энергия тепловых нейтронов сравнима с энергией межатомных взаимодействий в веществе, это дает возможность по результатам неупругого рассеяния нейтронов изучать динамические свойства атомов и молекул. Наличие у нейтрона магнитного момента позволяет по результатам дифракционных опытов изучать магнитную структуру твердых тел, т.
е. величину магнитных моментов атомов, их взаимное расположение и ориентацию относительно кристаллографических осей. Соответствующий метод структурных исследований получил название магнитной нейтронографии. В настоящее время это единственный прямой метод определения магнитной структуры твердых тел. С его помощью изучена магнитная структура более тысячи магнитоупорядоченных кристаллов.
На рис. 2.19 приведены результаты нейтронографических исследований магнитной структуры кристалла МпО. При комнатной температуре это соединение является парамагнетиком, а при температуре ниже точки Нееля Т1ч = 80 К (аналог точки Кюри для ферромагнетнков) переходит в антиферромагнитное состояние, характеризующееся антипараллельным упорядочением магнитных моментов атомов марганца. Сравнение зависимостей интенсивности дифрагировавшего пучка нейтронов от угла рассеяния, полученных при двух значениях температуры кристалла (выше и ниже точки Нееля) (рис.
2.19, а), показывает, что упорядочение магнитных моментов атомов в кристалле приводит к появлению дополнительных дифракционных максимумов. Наличие этих максимумов позволило установить, что размер элементарной магнитной ячейки кристалла по всем направлениям оказывается вдвое больше структурного. 103 1, отн.ед. 100 80 60 40 20 0 в' 100 80 60 40 20 5 10 15 20 25 0, Э,О- ° — О Рис.
2.19. Результаты исследований магнитной структуры кристалла МпО с помощью дифракции нейтронов: а — угловая зависимость интенсивности дифрагирующего пучка нейтронов при температурах 80 К и 293 К; б — модель антиферромагннтного упорядочения ионов Мп (сгрелками указаны направления магнитных моментов) Внд упорядочения магнитных моментов атомов марганца в элементарной ячейке кристалла МпО, определенный по результатам неитронографических исследований, приведен на рис. 2.19, б: маленькие черные крухаси соответствуют атомам кислорода, большие светлые и заштрихованные кружки — атомам марганца. Стрелками указано направление магнитных моментов атомов марганца.
Еще одной важной областью исследований, в которых используются волновые свойства микрочастиц, является электронная микроскопия. Напомним, что предел разрешения микроскопа определяется выражением 1аяа =0,61— вя1па где Х вЂ” длина волны излучения; п — показатель преломления среды, в которой находится объект; 2а — апертурный угол. Величина 1;„характеризует минимальное расстояние между двумя точками, которые в изображении, формируемом с помощью микроскопа, воспринимаются раздельно. В случае волн оптического диапазона 1;„ составляет сотни нанометров. Использование вместо световых лучей пучков электронов позволяет существенно, в тысячи раз, повысить разрешающую способность микроскопа благодаря чрезвычайно малому значению дебройлевской длины волны электронов.
Действительно, для электронов, прошедших ускоряющую разность потенциалов У =10 кВ, длина волны де Бройля, согласно (2.8), составляет Хв = 0,0122 нм, что на порядок меньше характерных размеров атомов. Однако достигнуть столь высокого разрешения на практике не удается поскольку магнитные и электрические линзы, фокусирующие пучки электронов в микроскопе, обладают заметными аберрациями. Тем не менее разрешение современных электронных микроскопов составляет = 0,15...0, ЗО нм, что дает возможность наблюдать атомарную и молекулярную структуры исследуемых объектов.
На рис. 2.20 представлен общий внд электронного микроскопа просвечивающего типа. Ускоряющее напряжение в электронных микроскопах высокого разрешения составляет 100...400 кВ, что позволяет исследовать слой вещества толщиной от одного до нескольких десятков нанометров. В электронно-оптической системе микроскопа создается глубокий вакуум (до — 10 Па). 105 3 Рис. 2.20. Электронный микроскоп просвечивающего типа: 1 — электронная пушка с ускорителем; 2 — коцденсорные линзы; 3 — объективная линза; 4 — проекционная линза; 5 — световой микроскоп, дополнительно увеличивающий изображение, наблюдаемое на экране; б — тубус со смотровыми окнами, через которые можно наблюдать изображение; 7 — пульт управления; 8— стенд; 9 — источник питания линз; 10 — высоковольтное питающее устройство; 11 — вакуумная система; 12 — высоковольтный ка- бель Рис.
2.21. Электронно-оптическая схема электронного микроскопа просвечивающего типа; 1 — катод; 2 — фокусируюший цилиндр; 3 — ускоритель электронов; 4 — первый (короткофокусный) конденсор, создаюший уменьшенное изображение источника электронов; 5— второй (длиннофокусный) коцденсор, который переносит уменьшенное изображение источника электронов на объект; 6 — объект исследования; 7— апертурная диафрагма объектива; В— объектив; 9, 10, 11 — система проекционных лин к 12 — катодолюминесцентный экран Схема электронно-оптической системы микроскопа приведена на рис. 2.21, Пучок ускоренных электронов фокусируется первым и вторым конденсорами, которые создают на исследуемом объекте электронное пятно малого размера (от 1 до 20 мкм). Прошедшие через объект электроны с помощью системы проекционных линз формируют изображение объекта на катодолюминесцентном экране.
Под экраном находится магазин с фотопластинками, на которые фотографируется получаемое изображение. Типичные результаты исследований, выполненных методами электронной микроскопии, представлены на рис. 2.22. Эти результаты наглядно демонстрируют возможности электронной микроскопии в структурных исследованиях. Очень высокое разрешение, достигаемое в электронных микроскопах, делает электронную микроскопию эффективным методом изучения структуры вещества вплоть до атомарного уровня. а б в Рис 2.22. Результаты исследования структуры сплава золота и марганца с помощью электронного микроскопа: а — вид струазуриого упорядочения атомов в сплаве; б — картина дифракции электронов на исследуемом образце; в — модель структуры сплава, полученная на основании проведенных исследований До сих пор речь шла главным образом о применении микро- частиц в исследовании структуры твердых тел. В таких опытах используются частицы с длиной волны де Бройля, сравнимой с межатомным расстоянием в кристаллах.
Для того чтобы выполнялось это условие, частица должна обладать не очень большой энергией. Так, в рассмотренных выше экспериментах энергия электронов находится в диапазоне от десятков электрон-вольт до нескольких сотен килоэлектрон-вольт. В то же время с помощью ускорителей заряженных частиц оказывается возможным получать пучки электронов и протонов очень высоких энергий. В современных ускорителях энергия заряжен- 107 ных частиц может достигать порядка 10 ГэВ. Дебройлевская длина волны таких частиц очень мала (см.
задачу 2.2), что позволяет использовать нх для получения информации о размерах и структуре атомных ядер, а также образующих ядра нуклонов — протонов и нейтронов. В 1955 — 1958 гг. американский физик Р. Хофштадтер выполнил серию экспериментов по рассеянию быстрых электронов на ядрах и нуклонах. Идея его опытов была достаточно проста. Из оптики хорошо известно, что при рассеянии волны на объекте, имеющем форму сферы радиуса ЕЕ, дифракционные явления возникают при длине волны Х < Ю (рис. 2.23, а).
Интенсивность дифрагирующей волны 1 как функция угла дифракции гр имеет качественный вцд, представленный на рис. 2.23, б. Е(е) Рис. 2.23. Дифракция волны на сферическом объекте: а — общая схема дифрякцин; б — зависимость интенсивности дифрагировввщей волны Е(е) от угля дифраклни е Углы, при которых 1(у) достигает минимума, определяются, согласно волновой оптике, соотношением 0,61 з(пгр =и — ')ь, из=1, 2, 3, лз (2.23) Если считать, что ядро имеет форму сферы с достаточно резкой границей, и использовать быстрые электроны с длиной волны де Бройля )ьв = 11, то в рассеянии таких электронов на ядрах должны проявляться дифракционные эффекты, в частности минимумы интенсивности при углах, отвечающих условию (2.23).
108 1, отн.ед На рис. 2.24,приведены результаты опыта Хофштадтера по наблюдению дифракции электронов с энергией Е=750МэВ на ядрах ~Са. В этом опыте дебройлевская длина волны электронов составляла Хв = 1,7 фм. (Здесь используется более привычная для ядерной физики единица длины 1фм = 10 м.) Наблюдаемые в эксперименте минимумы интенсивности 1 (1р) отвечают углам дифракции (р1 — 18~, 1рз —— 31~, 1рз — — 48 . Подставляя эти значения в соотношение (2.23), получаем следующие оценки для радиуса ядра Са: 10 ~ 10-31 10-33 10-33 10-33 го Зо 40 50 1р' Рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
