Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 17
Текст из файла (страница 17)
При комнатной температуре это соединение является парамагнетиком, а при температуре ниже точки Нееля Ть1 = 80 К (аналог точки Кюри для ферромагнетиков) 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 0о 100 80 60 40 20 5 10 15 20 25 О, 6,О- Ф вЂ” О Рис. 2Л9. Результаты исследований магнитной структуры кристалла МпО с помощью дифракцни нейтронов: а — угловая зависимость интенсивности дифрагирующего пучка нейтронов прн температурах 80 К и 293 К; б — модель антиферромагнитного упорядочения ионов Мп (стрелками указаны направления магнитных моментов) Вид упорядочения магнитных моментов атомов марганца в элементарной ячейке кристалла МпО, определенный по результатам нейтронографических исследований, приведен на рис. 2.19, б: маленькие черные кружки 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 1 „=061 А лз)па где А — длина волны излучения; л — 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 ускоряюшую 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 вид 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 наномегров.
В электронно-оптической системе микроскопа создается глубокий вакуум (до — 10 Па). 105 1 г 3 5 б 7 в 5 б Рис. 2.20. Электронный микроскоп просвечивающего типа: ! — электроннаа пушка с ускорителем; 2 — конденсорные линзы; 3 — объективная линза; 4 — проекционная линза; 5 — световой микроскоп, дополнительно увеличивающии изображение, наблюдаемое на экране; б — тубус со смотровыми окнами, через которые можно наблюдать изображение; 7 — пульт управления; 8— стенд; 9 — источник питания линз; 1Π— высоковольтное питающее устройство; 11 — вакуумная система; 12 — высоковольтный ка- бель Рис.
2.21. Электронно-оптическая схема электронного микроскопа просвечивающего типа: 1 — катод; 2 — фокуснрующий цилиндр; 3 — ускоритель электронов; 4 — первый (короткофокусный) конденсор, создающий уменьшенное изображение источника электронов; 5— второй (длиннофокусный) конденсор, который переносит уменьшенное изображение источника электронов на объекг; б — объект исследования; 7— апертурная диафрагма объектива; 8— объектив; 9, 10, 11 — система проекпионных линз; 12 — катодолюминеспентный 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 Рне 2.22. Результаты исследования структуры сплава золота и марганца с помощью электронного микроскопа: а — вид структурного унорлдоченил 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 часпщ очень мала (см.
задачу 2.2), что позволяет использовать их для получения информации о размерах и структуре атомных ядер, а также образующих ядра нуклонов — протонов и нейтронов. В 1955 †19 и. 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 Я, дифракционные явления возникают при длине волны Х < Гт (рис. 2.23, а). Интенсивность дифрагирующей волны 1 как функция угла дифракции у имеет качественный вид, представленный на рис. 2.23, б. О Рнс. 223. Днфракцня волны на сферическом объекте: а — обцзал схема дифракции; б — зависимость интенсивности дифрагировавшей волны )(Е) отугладифракции ф Углы, при которых 1(ц) достигает минимума, определяются, согласно волновой оптике, соотношением 0,61 з)пгр =из — '2,, из=1, 2, 3, (2.23) Если считать, что ядро имеет форму сферы с достаточно резкой границей, и использовать быстрые электроны с длиной волны де Бройля )св = Я, то в рассеянии таких электронов на ядрах должны проявляться дифракционные эффекты, в частности минимумы интенсивности при углах, отвечающих условию (2.23). 108 Х 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 1~м.) Наблюдаемые в эксперименте минимумы интенсивности 1(/р) отвечают углам дифракцни /рз — — 18, 1р2 = 31, /рз = 48 .
Подставляя эти значения в соотношение (2.23), получаем следующие оценки для радиуса ядра Са: 10-3 1 ,-зз 10 зз 10-37 20 30 40 50 (р~ Рис. 2.24. Зависимость интенсивности пучка электронов, дифрагирующих на ядрах Са, 40 от угла дифракции 1Р лз =1, <р1 —— 18о, й = 3,3 фм; л/=2, д2 — — 31о, й=3 9 фм; лз = 3, /рз — — 48о, й = 3,6 фм. Сравним найденные с помощью дифракции электронов значения радиуса ядра Са с результатами расчета по приближенной формуле 11 = 1, 1А фм, где А — массовое число (суммарное число 1/3 протонов и нейтронов в ядре).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
