Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Исследование твердых тел с помощью дифрактометрии

Дифракция электронов редко используется для изучения кристаллов, потому что электроны поглощаются материей куда сильнее, чем рентгеновские лучи (см. главу 9, «Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах»). Гораздо больший интерес в этом аспекте представляет собой еще одна элементарная частица – нейтрон! Если речь идет о наблюдении легких атомов или изучении атомных магнитных свойств, то дифракция нейтронов оказывается предпочтительнее рентгеновских лучей. Последняя позволяет составлять карты электронной плотности, в то время как поляризованные нейтроны дают возможность исследовать не все, а лишь электроны, находящиеся на внешних оболочках атома, – именно те, которые определяют его химические и магнитные свойства (см. главу 23, «Метаморфозы углерода»). Недостатком этого метода является то, что для производства нейтронов требуются дорогие и громоздкие ядерные реакторы (см. илл.), в то время как рентгеновской установкой легко оснастить даже скромную лабораторию.

Реактор в Институте Лауэ – Ланжевена в Гренобле. Нейтроны образуются в результате протекающих ядерных реакций (см. главу 13, илл. 3) и используются для спектрометрических исследований конденсированных сред. Активная зона реактора, помещенная в резервуар с тяжелой водой, погружена в бассейн, который поглощает испускаемое излучение. Голубоватый свет, освещающий бассейн, обусловлен эффектом Вавилова – Черенкова. Работа реактора управляется с помощью специальных стержней, поглощающих нейтроны, которые могут извлекаться в зависимости от количества оставшегося урана

С помощью уравнения Шрёдингера оказалось возможным найти пространственное распределение плотности вероятности электрона для его возможных состояний в атоме водорода. Изобразив эти распределения плотности вероятности на плоскости разными цветами, получают изображение различных атомных орбиталей (областей, в которых вероятность нахождения электрона наиболее высока). Такие изображения заменяют электронные орбиты модели атома Бора (илл. 5) и наглядно представляют поведение электронов в атоме. Основанные на уравнении Шрёдингера расчеты объясняют существование дискретных уровней энергии, которые и являются причиной линейчатых спектров, наблюдаемых при излучении и поглощении света. Подобные, но более сложные вычисления позволяют понять, как между атомами образуются химические связи.

Заметим, что работы де Бройля и Шрёдингера предшествовали открытию Гейзенбергом принципа неопределенности. Последний прост, краток, элегантен, однако содержит меньше информации, чем уравнение Шрёдингера.

Опыт Дэвиссона – Джермера

Предложенная де Бройлем концепция связи между волнами и частицами, так называемый корпускулярно-волновой дуализм, привела к идее применения оптических методов исследования с заменой света на потоки частиц. Так, в 1927 году американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер бомбардировали электронами кристалл никеля. В результате они получили дифрактограммы, подобные возникающим при облучении кристаллов рентгеновскими лучами (см. врезку). Для интерпретации полученных дифракционных картин электронам следовало приписать определенную длину волны, и она совпадала с величиной, предсказанной де Бройлем. Таким образом, эксперимент блестяще подтвердил его гипотезу.

Нулевые колебания атомов