Бѳлүкчѳлѳрдүн корпускулалык-толкундук касиеттери

17-глава

Бѳлүкчѳлѳрдүн корпускулалык-толкундук касиеттери. Де Бройль толкуну. Электрондук микроскоп

Бѳлүкчѳлѳрдүн корпускулалык-толкундук касиеттери. Де Бройль толкуну. Квант теориясы азыркы кездеги физиканын ѳнүгүшүндѳгү негизги багыттардын бири болуп эсептелет. Квант теориясында микродүйнѳдѳ 10^-15-10 ^-10 м тартибиндеги аралыктарда жүрүүчү кубулуштардын закон ченемдүүлүктѳрү каралат. Мындагы негизги объектилер болуп атомдор, молекулалар, ошондой эле атомдук ядролор жана элементардык бөлүкчөлѳр эсептелишет.

Планктын энергиянын кванттуулугу, Эйнштейндин фотондор жѳнүндѳгү түшүнүктѳрү жана француз физиги де Бройлдун (1892-жылы туулган) элементардык бѳлүкчѳлѳрдүн толкундук касиеттери жѳнүндөгү идеясы квант теориясынын физикалык негизин түзѳт.

Де Бройлдун гипотезасы боюнча жарыктын корпускулалык- толкундук экилик касиеттери жарык бѳлүкчѳлѳрү болгон - фо­тондор үчүн гана мүнѳздүү болбостон, ошондой эле тынч абалында массага ээ болушкан заттардын бѳлүкчѳлѳрү - электрондор, протондор, нейтрондор жана алардын жыйындысы болгон атомдор, молекулалар үчүн да мүнѳздүү. Ошондой эле бул гипотеза электр-магниттик талаа үчүн мүнѳздүү болгон корпускулалык- толкундук экилик касиети универсалдуу мүнѳзгѳ ээ экендигин кѳргөзөт.

Массасы m болгон, υ ылдамдыгы менен кыймылда болгон бардык бѳлүкчѳлөр де Бройль толкун таралуусуна баш ийишет. Де Бройлдук толкундун узундугу λ де Бройль формуласы боюнча эсептелет.

λ=h/mυ=h/р, (16.1)

Мындагы h - Планк турактуулугу, р=mυ - кыймылдагы бѳлүкчѳнүн импульсунун модулу. Бѳлүкчөнүн ылдамдыгы υ, вакуумдагы жарык ылдамдыгына с жакын болсо, импульс р релятивисттик мааниге ээ болот. Эгер υ«с болсо, бѳлүкчѳнүн импульсу кадимки Ньютондун классикалык механикасындагыдай эле эсептелет. Де Бройль формуласы башка түрдѳ да жазылат:

Р=hk/2π=ħk (16.2)

Мындагы k=2πn/λ - толкундук вектор, n- толкундун таралуу багытына дал келген бирдик вектору, ħ = h/2π= 1,05*10^-34Дж*с.

Де Бройль толкундары электр-магниттик толкундар болуп эсептелбейт жана классикалык физикада окулган толкундардын бардык түрү менен окшоштугу жок. Де Бройль формуласы квант теориясынын негизги фундаменталдуу катыштарынын бири болуп эсептелет.

Де Бройлдун гипотезасы бир катар жүргүзүлгѳн тажрыйбаларда эксперименталдык далилдѳѳлѳргө ээ болгон. Америкалык физиктер К. Дж. Девиссон (1881-1958) жана Л.Х.Джермер (1896- 1971) 1927-жылы тажрыйба жүзүндѳ никел монокристаллында электрондордун чачыроосун изилдѳѳ аркылуу де Бройль толкун узундугун аныкташып, де Бройль формуласынын тууралыгын далилдешкен. Жука катмардагы (калыңдыгы 10 ^-7 м тартибиндеги) металл аркылуу электрондордун агымын ѳткѳрүү жолу менен да дифракциялык кубулушту байкоого болот. Тажрыйба жүзүндѳ атом ядросунун курамына кирген бѳлүкчѳлѳрдүн - нейтрондордун да дифракция кубулушуна ээ болорлугу байкалган. Нейтралдуу атомдор жана молекулалар комнаталык температу­ра кезинде, бул бѳлүкчѳлѳргѳ туура келүүчү де Бройлдук толкун узундуктары λ≈10^-10 тартибиндеги чондуктагы ылдамдыктар менен кыймылда болушат. Бул болсо атомдор жана молекула­лар кристаллдардын бетинен чагылган кезде алардын (атомдор менен молекулалардын) толкундук касиетке ээ болорлугун байкоого мүмкүндүк берет.

Де Бройлдук толкундар кыймылдагы каалагандай бѳлүкчѳлөр менен байланыштуу. Бул бѳлүкчѳлѳр заряддалганбы же нейтралдуубу андан көз каранды эмес. Мындай түрдѳгү толкундар классикалык физикада белгилүү болгон бардык толкундардан олуттуу айырмачылыкка ээ. Микробѳлүкчѳнүн кыймылы менен байланышкан толкун де Бройль толкуну деп аталат. Де Бройлдук толкундар кандайдыр бир толкун булагынан чыгарылбайт.

Толкундук касиеттер кыймылдагы микроскопикалык бѳлүкчѳлѳрдѳн гана байкалат. Мындай бѳлүкчѳлѳрдүн массалары элементардык бѳлүкчѳлѳрдүн массаларынын чоңдугуна бир катар тартипте теңдеш болуулары керек. Толкундук касиет­тер тобу менен кыймылда болуучу бѳлүкчѳлѳргѳ гана тиешелүү эмес, ошондой эле бул касиеттер жалгыз кыймылда болуучу бѳлүкчѳлѳргѳ да мүнѳздүү. Тажрыйба жүзүндѳ россиялык фи­зик Л.А. Фабрикант (1907-жылы туулган) 1949-жылы Биберман жана Сушкин менен бирдикте кристаллга бирден жиберилген электрондордон дифракция кубулушун байкаган. Бул болсо мейкиндиктин берилген чекитиндеги де Бройль толкунунун амплитудасынын квадраты бир бѳлүкчѳ үчүн да бул чекитте бѳлүкчѳнүн болуу мүмкүндүгүнүн чени болорлугун билдирет.

1. Де Бройлдун гипотезасында эмне жѳнундѳ айтылат?

2. Де Бройлдук толкун узундугу кандай туюнтулат?

3. Де Бройлдун гипотезасы кандай тажрыйбалардын негизинде дилилденген?

4. Де Бройль толкуну деп кандай толкунду айтабыз?

Электрондук микроскоп. Электрондук микроскопто жарык нурунун милдетин электрондордун агымы аткарат. Мындай микроскоп оптикалык микроскопко караганда каралып жаткан объектини чоңойтуп кѳргѳзүүдө эбегейсиз зор мүмкүндүктѳргѳ ээ. Электрондук микроскоптун жардамы менен микробѳлүкчѳлѳрдү байкоого жана аларды бир нече эсе чоңойтуп (10⁶ эсеге дейре) фотографиялоого болот. Мында жарык нурларынын ордуна толук вакуумдук шартында чоң энергияга чейин ылдамдатылган электрондордун тобу колдонулат. Электрондук нурлар толкундук касиетке ээ, анын узундугу (16.1) көрсөтүлгөндөй

λ=h/mυ формуласы менен аныкталат. Мындагы h - Планк турактуулугу, m- электрондун массасы, υ - электрондун ылдамдыгы. 50000 вольт чыңалуу кезинде электрондун толкун узундугу 0,05 А барабар болот. Атомдордун ортолорундагы аралык 1А дан чоңдук кылат.

Электрондук микроскоптун ѳлчөмү оптикалыкка караганда бир кыйла чоң болот. Ал электр чыңалуусун талап кылып, кымбатка турат. Мунун баары анын жогорку деңгээлде колдонулушу менен акталат.

Электрондордун де Бройлдук толкун узундуктары каралып жаткан объектинин (микробөлүкчѳлѳрдүн) өлчөмдѳрүнөн кѳп кичине болуусу керек. Мындай учурда электрондордун тобу геометриялык оптикадагы нурлардын ролун аткарат.

Корпускулалык-нурдук оптикалык куралдын физикалык негизи 1834-жылы ирландиялык математик жана физик У. Р. Га­мильтон (1805-1865) тарабынан сунушталган. Электрондук микроскопту түзүүнүн максатка ылайыктуулугу 1924-жылы де Бройль толкуну жѳнүндѳгү гипотеза сунушталгандан кийин пайда болгон. Ал эми анын техникалык иштелип чыгышы 1926-жылы немец физиги X. Буш тарабынан иш жүзүнѳ ашырылган. 1928-жылы немец илимпоздору М. Кнолль жана Э. Руска биринчи магниттик жаркыроочу электрондук микро­скопту түзүүгө киришип, үч жылдан кийин электрондордун тобунун негизинде микробѳлүкчөлөрдүн сүрѳттѳлүшүн алууга жетишишкен. Андан кийинки жылдары (1938-жылы Германияда, 1942-жылы Америкада) биринчи жолу сканерлѳѳ (кѳрүнүшүн кѳчүрүү) принцибинде иштей турган электрондук микроскоп курулган. 1960-жылдардын ортосунан баштап аталган микроскоп техникалык жогорку ѳркүндѳтүлүүгѳ жеткирилип, илимий изилдѳѳ иштерине кеңири колдонула баштаган.

Ыңгайлуу шарттарда айрым оор атомдорду сүрѳткѳ тартып алууга болот. Кристаллдык решетканын атомдук тегиздиги сыяктуу мезгилдүү түзүлүштү сүрѳткѳ тартууда 1А дан кичирээк болгон ѳлчөмдү иш жүзүнѳ ашырууга мүмкүндүктѳр бар. Мындай жогорку чечилишке жетишүү электрондордун ѳтѳ кичине де Бройль толкун узундугуна ээ болгондугунун натыйжасы болуп эсептелет.

1А га чейинки мезгилдүү эмес объектилердин сүрөттѳлүшүн алууда электрондук микроскоптун чечүүчү жѳндөмдүүлүгүн жогорулатуу оор атомдорду гана каттоого эмес жеңил атомдорду регистрациялоого да мүмкүндүк берет. Мындай чечүүчү жѳндѳмдүүлүктѳгү электрондук микроскопту жасоо үчүн ылдамдатуучу чыңалуусу жогорулатылып, кичине аберрациялуу электрондук линзалар колдонулат.

1. Электрондук микроскоп кандай максатта колдонулат?

2. Электрондук микроскоп жөнүндѳ кыскача түшунук бергиле.