Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

Таким образом, волновое поведение электронов было наглядно продемонстрировано. Более того, измерив расстояние между полосами получившейся схемы и учтя размеры молекулярной решетки никеля, через которую электроны проходили, физики смогли вычислить длину волны этого потока электронов. Их расчеты один в один совпали с выполненными Бройлем расчетами длины волны, которой должен соответствовать поток электронов, движущихся с данной скоростью.

Принимая в 1929 году Нобелевскую премию по физике за это открытие, Бройль сказал: «Электрон больше не может восприниматься как одиночная, мельчайшая крупинка электричества; он должен ассоциироваться с волной. И существование этой волны — не миф, поскольку ее длина может быть измерена, а тип интерференции спрогнозирован».

Если вдруг вся эта чехарда с волнами и частицами оказалась выше вашего понимания, не впадайте в панику. Оно того стоит? Ведь от корпускулярно-волновой двойственности света нам с вами ни тепло, ни холодно.

Пожалуй, наиболее полезное практическое применение этих знаний — изобретение электронного микроскопа. Того самого прибора, благодаря которому мы разглядели «новогодние ели» на крыльях бабочки из подсемейства морфид. Обычный микроскоп никогда бы не показал, как выглядят малюсенькие «ветви», отвечающие за цветовые переливы крыла. И дело вовсе не в мощности линз или чувствительности оборудования. А в ограничениях любого обычного микроскопа, в работе которого используется видимый свет — предел его разрешения равен половине длины волны видимого света. В него невозможно разглядеть «ветви» менее 100 нм толщиной, ведь длина волны видимого света лежит в диапазоне от 400 до 750 нм.

Электронный же микроскоп дает изображение с гораздо более высоким разрешением. Самые современные микроскопы увеличивают до 0,05 нм {161} 161 Erni, R., et al, “Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe”, Phys. Rev. Lett. 102: 096101 (2009). , а это меньше размеров атома. Работа таких микроскопов зависит целиком и полностью от волнового поведения потоков электронов. Волны исследуемого вещества можно заставить рассеяться и обогнуть предметы, как это делают световые волны; далее эти волны с помощью специальных линз фокусируют — получается изображение. При длинах волн в одну миллионную длины волны видимого света {162} 162 McKenzie, D., “The Electon Microscope as an Illustration of the Wave Nature of the Electron”, Science Teachers' Workshop 2000, School of Physics, the University of Sydney, Australia. к примеру, вы хотите сфотографировать волосок на тельце дрозофилы — волны материи имеют свои преимущества.

Существуют два основных типа электронных микроскопов. Растровые электронные микроскопы измеряют электроны, которые выбиваются из опытного образца, бомбардируемого тонким пучком электронов. Просвечивающий электронный микроскоп измеряет схему, которая получается, когда более широкий поток электронов проходит через тончайший срез опытного образца. При этом неважно, проходят электроны через вещество или отскакивают — важно, чтобы все это происходило в вакууме, поскольку молекулы воздуха электроны рассеивают. Поток электронов отделяется от разогретой до высоких температур вольфрамовой нити накаливания с помощью мощного электрического поля; далее электроны в потоке разгоняются до скорости, приближающейся к скорости света.

Одним из главных отличий между микроскопом электронным и оптическим являются используемые в них линзы. Стекло линзы оптического микроскопа для потока электронов окажется слишком мутным. Поэтому в электронных микроскопах изображение получают, применяя в качестве собирающих линз сильные магнитные поля, фокусирующие поток электронов.

Различие между растровым и просвечивающим электронными микроскопами заключается в том эффекте, который получается при бомбардировке опытного образца потоком электронов или фотонов. Поэтому так важна предварительная подготовка образца.

Если предполагается использовать растровый электронный микроскоп, опытный образец покрывают сверхтонким слоем золота, чтобы электрический заряд, нарастающий при бомбардировке образца отрицательно заряженными электронами, отводился до того, как он исказит изображение. Готовя образец для просвечивающего электронного микроскопа, его тонкий слой срезают специальным алмазным ножом, чтобы электроны смогли пройти через него. Толщина слоя получается меньше 0,0001 мм (наверняка тут нужна твердая рука).

Благодаря использованию вместо светового потока пучка электронов электронные микроскопы и дают такое невероятно увеличенное изображение. Без знаний о волнах материи мы никогда не смогли бы узнать дрозофилу так близко, не говоря уже о том, чтобы рассмотреть особые геометрические структуры крыла бабочки.

Но ценность открытия Бройля не только в том, что мы получили возможность видеть маленькие-премаленькие предметы в большом-пребольшом увеличении; оно имело и гораздо более глубокое значение. Ведь если задуматься, тот факт, что Бройль сумел связать описание Эйнштейном света как одновременно и волны, и частицы с материей, представляется делом огромной важности. Бройль — сначала математически, а затем и опытным путем — доказал, что мельчайшие частицы, разогнанные до большой скорости, ведут себя как волны. И это касается не только электронов, а и атомов, молекул.

Догадываетесь, к чему я клоню? Любая материя, разобранная на достаточно маленькие части и запущенная на огромной скорости, обладает длиной волны. Таким образом, вы можете смело заявить (я, черт возьми, так и сделаю), что все есть волна. Похоже, мы, наблюдатели за волнами, кое в чем все-таки разобрались.

Вот и январь — самое время для давно запланированной «научной командировки» на Гавайи. Войдя в слой кучевых облаков, вестников хорошей погоды, самолет стал снижаться над островом Оаху, готовясь к посадке в Международном аэропорту Гонолулу. Мне радостно было сознавать, что я возвращаюсь к ним — видимым, осязаемым и таким знакомым. К волнам, что встречают нас на морском берегу.

Под конец декабря, после без малого года изучения предмета, у меня сложилось впечатление, что волны нас буквально окружают и в то же время, как это ни парадоксально, остаются невидимыми. Мы воспринимаем их опосредованно, через информацию, которую они передают, сами же волны остаются в тени. Волнение в открытом море больше всего ассоциируется у нас с ними, а у большинства все представления о волне только к тому и сводятся. Шасси самолета коснулись взлетно-посадочной полосы, и я вдруг вспомнил рябь возле корнуоллского берега, которая и пробудила во мне интерес к волнам. И хотя сейчас передо мной другие воды, другой океан на другом конце мира, почему-то кажется, будто я к ней вернулся.