Дуална природа на честиците. Електронска микроскопија Изработил: Иван Дограмаџиев Најстарите толкувања на светлината потекнуваат од Античка Грција, но како почеток на модерната физичка оптика се смета Декартовата теорија. Во тоа време се водело борба меѓу брановата и корпускуларна теорија за светлината. Поради авторитетот на Њутн долго време преовладувала корпускуларната теорија, но по математичките пресметки направени од Хајгенс и екпериментот на Јунг со дифракција на светлината се појавил сомнеж. Њутн, за да го објасни прекршувањето на светлината, претпоставил дека честичките на светлината забрзуваат при влез во погуста материја. Додека пак според брановата теорија, обратно, светлинските бранови се движат побавно во погуста материја. Во 1850 година Леон Фуко експериментално пресудил за брановата теорија, корпускуларната теорија била напуштена, барем привремено. Сепак останало прашањето за етерот, медиум потребен за брановата теорија. Историја на светлината Мајкл Фарадеј предложил дека светлината е високо-врекфентна електромагнетна вибрација на која не и треба медиум, односно, може да се шири и во вакум. Потикнат од него Максвел даде целосен математички опис на електромагнетните бранови. Електромагнетната теорија на светлината стана општо прифатена, но сепак и таа не е целосна, не ги објаснува спектралните линии, фотоевектот како и зрачењето на апсолутно црно тело. Решение на овие прашања ќе даде Ајнштајн, применувајќи ја Планковата хипотеза на светлината, ја создава квантната теорија за светлината. Твдрејќи дека не само енергијата што ја зрачат телата е квантувана, туку и самото електромагнетно зрачење. Во физиката повторно се воспоставува корпускуларната теорија на светлината, различна од Њутновата. Светлината има сложена природа и не може да се разгледува само како бран или само како сноп од подвижни честици. Во појавите интерференција и дифракција светлината ги манифестира брановите својства, додека пак, во процесите на зрачењето и апсорпција се манифестираат нејзините корпускуларни својства. Пројавувањето на светлината како бран или како честица во различни појави се израз на нејзината дуална природа. Фотонот е првата проучена честица во која се пројавуваа таа дуалност. Во 1923 година Луј де Броли поставил смела хипотеза - дуалната природата на светлината ја проширува на сите материјални честици. Сите форми на материјата имаат својства како на честица, така и на бранови. Тие бранови се наречени Де Бролиеви бранови. Според хипотезата на Де Броли, секоја честица со импулс p пројавува бранови својства. 𝜆= ℎ 𝑝 = 2𝜋ћ – 𝑝 Де Бролиева релација. Каде што ћ – редуцирана планкова ℎ константа, ћ = 2𝜋 Луј де Броли Де Бролиевата бранова должина важи и за релативистички и за нерелативистички честици. Ако 𝑣 ≪ 𝑐, 𝑝 = 𝑚𝑣. Ако честицата има кинетичка енергија 𝑚𝑣 2 2 𝑝2 , 2𝑚 𝐸= = 𝑝 = 2𝑚𝐸 За да се најде Де Бролиевата релација за брановата должина на електрон што се движи во електично поле со потенцијална разлика U, ℎ ℎ 𝐸 = 𝑒𝑈, 𝑝 = 2𝑚𝑒𝑈, 𝜆 = = = 𝑝 ℎ 1 2𝑚𝑒 𝑈 = 1.23 𝑈 2𝑚𝑒𝑈 nm Ова покажува дека Де Бролиевиот бран што го пројавува електронот кој се движи во електрично поле со потенцијална разлика од 1V има бранова должина 1.23 nm. Таа е од редот на бранови должини на рендгенските зраци и овие бранови својства на електронот можат експериментално да се проверат. Де Бролиевиот бран што го пројавува електронот За експериментално проверување се разгледува дифракцијата на електроните. За да дојде до дифракција на било кој електромагнетен бран треба константата на дифракционата решетка да има големина споредлива со неговата бранова должина. Де Бролиевата бранова должина на брзите електрони е споредлива со димензиите на константата на решетката од кристалите. Први таков експеримент направиле во 1927 година К. Девисон и Л. Џермер, кои ја проучувале рефлексијата на електроните од површината на монокристалот на никел. Електрична пушка испушта тесен сноп на електрони со определена брзина под некој агол θ во однос на монокристалот на никел. Електроните при судир со кристалот се расејуваат и паѓаат во колекторот, кој може да се поместува во рамнинтата во која лежи упадниот и одбиените снопови на електрони. На тој начин колекторот може да ги регистрира електроните расејани под различни агли. Експериментално проверување Се покажало дека при забрзување на упадните електрони во поле со потенцијална разлика U=54V и поставеност на детекторот под агол од θ=65˚ се регистрира максимален број на одбиени електрони. Ова се објаснува врз основа на Брег-Вулфовата релација за дифракција на рендгенски зраци од кристали. 𝑚𝜆 = 2𝑑 sin 𝜃, d е константата на кристалната решетка од никел – растојание меѓу две кристалографски рамнини d=0.091nm и m=1,2,3.. е ред на дифракционите максимуми. За m=1, се добива 𝜆 = 0.165𝑛𝑚. 1.23 За Де Бролиевата бранова должина се добива: 𝜆 = = 𝑈 0.167 𝑛𝑚. Слични резултати биле добиени и во ред други експерименти и на тој начин била потврдена дуалната природа на електронот како и на други честици. Де Бролиевите бранови не се забележуваат кај макроскопските тела поради многу малата вредност на Планковата константа. −3 𝑘𝑔 и брзина На пример куршум со маса 𝑚 = 10 𝑚 𝑣 = 100 2 има бранова должина од 𝑠 𝜆= ℎ 𝑚𝑣 = 6,266∗10−34 10−3 ∗100 = 6,266 ∗ 10−33 m, што е толку мала што практично не постои. За испитување на структурата на супстанциите, покрај рендгенската анализа, широко се применува и методот на електронографија. Поради негативниот полнеж, материјата различно им влијае на електроните. Х зраците се расејуваат по интеракција со валентните електрони, неутроните поради силната нуклеарна сила во јадрото, додека пак, електроните поради кулоновите сили. Каква ќе биде дифракционата слика зависи од бројот на кристалите. Ако електроните минуваат низ кристален прав или низ тенки метални фолии, кои претсавуваат агрегат од микристали, дифракционата слика ќе е суперпозиција на дифракциите на секој еден кристал. Сите оние електрони што се рефлектираат под еден ист агол, прават конусна површина чија заедничка оска се поклопува со упадниот млаз на електрони. Дифракционите експерименти не само со електрони, но со други микрочестици – протони, неутрони, јони и други, ја потврдуваат исправноста на хипотезата на Де Броли. Така се утврди симетријата во корпускуларно брановиот дуализам: не само брановите пројавуваат својства на честици, туку и честиците пројавуваат бранови својства. Дифракцијата на честиците објаснета преку Де Бролиевите бранови се смета за експериментална основа на современата квантна механика. Eлектронографија Примената на оптичкиот микроскоп за откивање на детални структури на препарати е ограничена𝜆на разделна моќ дадена со релацијата 𝜑 = 1.22 , каде 𝐷 што 𝜑–агол под којшто се гледаат две најблиски точки од препаратот разделени на определено растојание; 𝜆брановата должина на видливата светлина; Dдијаметар на отворот на објективот. Од овде следува дека не е можно да се конструира оптички телескоп, со којшто ќе може да се набљудуваат детали на објекти, чии димензии се споредливи или помали од брановата должина на видливата светлина. Со оптички микроскоп се набљудуваат детали на препарат што се на минимално растојание 200nm, односно неговата максимална разделна моќ е 200nm. Рендгенските зраци имаат многу помала бранова должина и поради тоа теоретски со нив може да се разгледуваат детали многу поблиску еден до друг отколку со оптички микроскоп. Практично не е така, проблемот е во тоа што индексот на прекршување на сите материјали за рендгенските зраци е многу близок до единица. Како последица на тоа не е можно да се изработат неопходните леќи на реднгенски микроскоп. Електронска микроскопија Затоа се користат снопови од електрони, дури при релативно ниски напони Де Бролиевата бранова должина за електронот е повеќе од 1000 пати помала од брановата должина на видливата светлина, а при поголеми напони разликата е уште поголема. Електронскиот сноп се насочува и фокусира со електрични и магнетни полиња. Постојат елекрични микроскопи со различна конструкција и намена: трансмисиони, скенирачки, рефлексиони, емисиони и други. Во електронски микроскоп електроните се забрзуваат со неколку илјади волти, поради тоа тие се движат со брзина споредлива со брзината на светлината. Скенирачките електронски микроскопи обично работат со забрзувачки потенцијал од 10kV што доведува до електроните да се движат со околу 20% од брзината на светлината, доедека трансмисионите електронски микроскопи работат со 200kV што добедува до тоа да електроните се движат со 70% од брзината на светлината. Поради тоа треба да се земат предвид релативистичките релации, односно: 𝐸𝑇 2 = (𝑚0 𝑐 2 + 𝑒𝑉)2 ℎ 𝐸𝑇 2 = 𝑝2 𝑐 2 + 𝑚0 2 𝑐 2 , (𝑚0 𝑐 2 + 𝑒𝑉)2 = 𝑝2 𝑐 2 + 𝑚0 2 𝑐 2 ,𝑝 = 𝜆, 𝑚0 𝑐 2 + 𝑒𝑉 2 ℎ𝑐 = 𝜆 2 𝑐 2 + 𝑚0 2 𝑐 2 → 𝜆 = ℎ𝑐 𝑒𝑉(2𝑚0 𝑐 2 + 𝑒𝑉 ) На сликите е претставен трансмисионен електронски микроскоп, со кој што се добива рамен, дводимензионален, лик на предметот. Тој лик се набљудува врз флуоресцентен екран или се фиксира врз фотографска плоча. Се состои од евакуирана комора, во којашто се создва сноп од електрони, емитувани од загреана вофрамова жичка до температура од 2700˚C. Магнетни леќи кој го фокусираат електронскиот сноп со потребниот интензитет, тие претставуваат навивки низ кој тече еднонасочна струја. Објективот го создава првото зголемување на ликот, а проекционата леќа го создава второто, крајно, зголемување. Ликот во трансмисиониот микроскоп се добива како резултат на нееднаквото расејување на електроните од одделни делови на предметот, каде што има разлика во нивната големина, маса и структура. Поради големата апсорпција електроните моќат да преминуваат само низ многу тенки примероци. Поради тоа методот е соодветен за испитување на тенки слоеви или специјално подготвени отпечатоци од површината на волуменски материјали. трансмисионен електронски микроскоп Скенирачкиот електронкси микроскоп се користи, главно, за испитување на површини на материјалите. Во него многу тесен сноп од електрони ја скенира точка по точка површината на испитуваниот предмет. Притоа расејаните електрони од одделните точки се собираат во колектор. Добиените сигнали од расејаните електрони се обработуваат и се формира тродимензионален лик на површината од предметот. Максималната разделна моќ постигната со скенирачкиот микроскоп е околу 5-10nm. Скенирачкиот електронкси микроскоп