Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Когерентные волны лазера настолько параллельны друг другу, что луч лазера, практически не расходясь, может преодолевать огромные расстояния. В 1962 году ученые направили лазерный луч на Луну, и оказалось, что через почти 400 000 километров диаметр пучка лазера увеличивается всего лишь до 3 километров.

Вскоре были созданы лазеры на основе не только металлов, но и фторидов, вольфраматов, полупроводников и большинства газов; такие лазеры способны производить излучение как видимой, так и инфракрасной части спектра.

Пучок лазерного луча очень маленький, а это значит, что на небольшой площади можно сфокусировать огромную энергию. Под действием лазера металл быстро переходит в газообразное состояние, и ученые используют это свойство лазера при спектральном анализе металлов. С помощью лазера можно прожигать отверстия любого диаметра даже в тугоплавких материалах. А в микрохирургии глаза с помощью лазера можно настолько быстро приварить отслоившуюся сетчатку, что близлежащие ткани просто не успеют «обжечься».

В ближайшем будущем у лазеров появится еще огромное количество различных применений. Когда они появятся, мы обязательно поговорим о них в следующих изданиях этой книги.

Материальные волны

Попытка Бора применить квантовую теорию к атому принесла огромное количество как теоретических, так и практических плодов: удалось дать объяснение периодической таблице, появился совершенно новый класс устройств — твердотельные приборы… Физики остались довольны.

Но квантованный атом не решил проблем химиков, так и не объяснив, как же атомы соединяются в молекулы. Если модель атома Льюиса — Ленгмюра хоть как-то объясняла этот процесс с помощью кубов и общих электронов, то разобрать что-либо среди прыгающих с одного энергетического уровня на другой электронов квантованного атома было просто невозможно.

Ответ вырос из другой неразрешимой на первый взгляд загадки — связи между частицами и волнами. В начале XX века физики окончательно убедились, что свойства света да и электромагнитных волн в целом точно такие же, как и у частиц. Комптон-эффект (см. ч. II) окончательно убедил ученых, что частицы и волны могут образовывать единое целое и совмещать в себе свойства и частиц, и волн.

Но относится ли это лишь к электромагнитному излучению? Что, если не только волны проявляют свойства частиц, но частицы также могут проявлять некоторые свойства волн?

Французский физик Луи де Бройль (1892–1987) как раз занимался изучением этого вопроса. Он применил к электронам соотношения, справедливые для фотонов, то есть частиц. В 1923 году де Бройль опубликовал следующую формулу:

λ = h/mv, (Уравнение 6.1)

где h — постоянная Планка (см. ч. II); m — масса движущейся частицы; v — ее скорость (произведение mv есть ее импульс); λ — принятое обозначение длины волны.

Теоретически эту формулу можно применить к любому движущемуся объекту, хоть к теннисному мячу, хоть к планете. Однако с возрастанием импульса длина волны сокращается, поэтому измерить частоту излучения, испускаемого летящим теннисным мячом, существующими способами просто невозможно, да и не нужно.

Тем не менее длина волн, излучаемых объектами с ничтожной массой, например электронами, относительно велика и равняется длине волны рентгеновского луча. (Впрочем, хотя длина волны и одинаковая, природа такого излучения отличается от природы рентгеновского луча. Волны, излучаемые частицами, по своей природе не являются электромагнитными, поэтому мы назовем их «материальными волнами».)

Если длина материальной волны равна длине волны рентгеновского излучения, значит, ее можно обнаружить тем же способом, что и рентгеновский луч. Рентгеновское излучение было обнаружено при помощи кристаллов. Так, может, и материальные волны можно также обнаружить при помощи кристаллов?

Первые удачные попытки осуществить это были сделаны в 1927 году английским физиком Джорджем Томсоном (1892–1975), а также американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном (1881–1958) и Лестером Гермером (1896–1971), работавшими независимо от Томсона. В последующие годы ученым удалось обнаружить волновые свойства и у других, более тяжелых частиц, и уже не осталось никаких сомнений в том, что любой объект, обладающий волновыми свойствами, обладает и свойствами частицы, и наоборот.

Аналогия между материальными волнами и электромагнитным излучением проявилась в микроскопии.

При использовании световых волн у микроскопа существует предел разрешающей способности, и, какой совершенной бы ни была оптическая «начинка» прибора, с его помощью нельзя изучать образцы, размеры которых меньше 3/5 длины световой волны.

Образно говоря, свет будет просто «обходить» такой образец. Даже при использовании самых коротких видимых световых волн, скажем длиной 380 миллимикрон, с помощью микроскопа невозможно будет разглядеть объекты менее 200 миллимикрон в диаметре, например вирусы. Таким образом, оптический микроскоп позволяет увеличивать изображение максимум в 2000 раз.

Для увеличения разрешающей способности микроскопов сначала стали применять электромагнитные волны, но использование материальных волн дало максимальный результат. Сегодня для этих целей используются в основном электронные волны, длина которых равна длине рентгеновского излучения. С помощью магнитного поля можно сфокусировать четкий электронный пучок так же, как можно сфокусировать пучок света с помощью линзы. Образец должен быть довольно тонким, чтобы электроны могли свободно проходить сквозь него. Кроме того, образец должен находиться в вакууме, иначе содержащиеся в воздухе частицы рассеют электронный пучок. С помощью такого микроскопа можно исследовать абсолютное большинство предметов.

Образец располагается между источником электронного излучения и фотографической пластиной или же люминесцентным экраном. Проходя через образец, электроны рассеиваются и поглощаются отдельными его частями, в результате чего на экране появляется черно-белое изображение объекта.

Первый электронный микроскоп был создан в 1931 году в Германии немецким физиком Эрнстом Руской (1906–1988). Уже в 1934 году были созданы электронные микроскопы, превосходящие по увеличению оптические, а начинам с 1939 года такие микроскопы стали производить в коммерческих целях. Современные электронные микроскопы увеличивают в тысячи крат сильнее, чем лучшие их оптические собратья.

Электронный микроскоп

Материальные волны вошли и в мир атомной теории. Австрийский физик Эрвин Шрёдингер (1887–1961) подошел к проблеме изучения структуры атома с точки зрения не только частиц, но и волн.

Шрёдингер представил электрон в виде вращающейся вокруг ядра волны. В этом случае описываемая электроном орбита должна соответствовать количеству испускаемых электроном волн. За один оборот вокруг ядра по постоянной орбите электрон излучает одно и то же количество волн, т. е. его излучение является стоячей волной.