Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Дифракция

Экспериментальное доказательство универсальности корпускулярно волнового

Применение дифракции частиц для изучения физических объектов

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Многочисленные эксперименты убедительно показывают, что какие бы частицы мы не брали, все они проявляют в определенных условиях волновые свойства. Хотя, несомненно, остаются частицами.

Явление дифракции - волновое явление, которое наблюдается в случае со светом, электронами и другими частицами. В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу, где обобщил корпускулярно-волновой дуализм, который ранее был установлен для фотонов, на все частицы. А также сообщил о сохранении количественного соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц такими же, как и для фотонов.

В работе рассмотрено явление дифракции частиц, в частности дифракция нейтронов. Приведены примеры опытного доказательства данного явления в историческом контексте.

Нейтроны благодаря своей электронейтральности проникают вглубь вещества, где испытывают акты упругого и неупругого рассеивания. При соблюдении некоторых условий вещество, например кристалл, может рассматриваться как дифракционная решетка. Используя дифракцию нейтронов, в современном научном мире изучают структурные и магнитные характеристики вещества.

Дифракция

Явление, которое представляет собой отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн получило название дифракция волн.

Явление дифракции в самом простом понимании это огибание препятствия волной, то есть проникновение волны в область геометрической тени.

С дифракцией волн можно связать ряд явлений, разложение волн по их частотному спектру; например, преобразование пространственной структуры волн, то есть огибание волнами препятствий либо расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определённом направлении; преобразование поляризации волн; в изменение фазовой структуры волн.

Дадим определение принципу корпускулямрно-волновомго дуалимзма. Любая частица быть описана с помощью использования математического аппарата, основанного на волновых уравнениях, так и с помощью представления об объекте как о частице или как о системе частиц. Давно известно, что свет - это электромагнитная волна и пучок фотонов одновременно.

Французский учёный Луи де Бройль (1892--1987), в 1923 году во время написания докторской выдвинул гипотезу в которой обобщил понятие корпускулярно-волнового дуализма на другие частицы материи. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами, то есть принцип корпускулярно-волнового дуализма универсален.

Энергия и импульс, как корпускулярные характеристики с одной стороны и частота и длина волны, как волновые характеристики с другой можно связать с микрообъектом согласно де Бройлю.

Де Бройль предпологая, что частицы вещества наряду с корпускулярными свойствами имеют также и волновые, перенес на случай частиц вещества те же правила перехода.

Таким образом, если фотон обладает энергией E =hх и импульсом p =h/л, то и частица (например электрон), которая движетсяся с некоторой скоростью, обладает волновыми свойствами, то есть движение частицы можно рассматривать как движение волны.

Свободное движение частицы, которая обладает массой m и импульсом p= mх (х - скорость частицы) в рамках квантовой механики можно представить как плоскую монохроматическую волну ш₀ с длиной волны:

л=h/p (1)

Распространение волны происходит в том же направлении, в котором движется частица (рисунок 1).

Рисунок 1 - Распространение волны де Бройля

Выражение 2 представляет зависимость волновой функции
от координаты х:

ш₀? cos (k₀x) (2)

где k₀- волновое число, а волновой вектор направлен в сторону движения частицы или распространения волны:

(3)

Таким образом, волновой вектор монохроматической волны пропорционален импульсу свободно движущейся микрочастицы и обратно пропорционален длине волны.

Кинетическая энергия сравнительно медленно движущейся частицы представляется в виде K=mх²/2, тогда можно представить длину волны через энергию, а именно

(4)

При взаимодействии частицы с объектом (кристаллом, молекулой и т.п.) меняется энергия частицы, что в результате приводит к изменению направления движения частицы. Также, меняется вид монохромотической волны. Происходит это согласно принципам, общим для всех волновых явлений. Основные геометрические закономерности дифракции частиц не отличаются от закономерностей дифракции любых других волн.

Условием дифракции волн любой природы является соизмеримость длины падающей волны л с расстоянием d между рассеивающими центрами.

Таким образом отметим условия проявления дифракции: явление дифракции наблюдается только тогда, когда размеры предметов или щелей сравнимы по своей величине с длиной волны [1,2].

Экспериментальное доказательство универсальности корпускулярно волнового

В 1927 году американские физики К. Дэвиссон и Л. Джермер провели опыт дифракции электронов на монокристаллическом никеле. Это был первый опыт подтверждающий основной принцип квантовой механики: карпускулярно-волновой дуализм частиц. В данном опыте при определённых углах отражения электронов от поверхности кристалла никеля возникали максимумы. Появление максимумов отражённых пучков электронов подтверждало высказанную ранее гипотезу де Бройля о двойственном представлений частиц. Эти опытом били доказаны волновые свойства электронов.

В 1927 г. английский учёный Дж. Дж. Томсон и, независимо от него, советский физик П. С. Тартаковский провели опыт где использовали поликристаллическую пластину, через которую пропустили электронный пучок высокой энергии. Как известно, поликристалл не обладает дальним порядком, а состоит из зерен, которые представляют собой монокристаллы. Если предположить что явление дифракции отсутствует, то электроны рассеивались бы во все стороны. Однако, на проявляющей пластине были обнаружены концентрические окружности, что говорит о наблюдении явления дифракции.

В 1949 г. советские физики Н.Г. Сушкин, Л.М. Биберман и В.А. Фабрикант поставили аналогичный опыт. В их работе интенсивность электронного пучка была значительно слабее, из-за чего электроны детектировались поштучно. Картина после длительной экспозиции была точно такой же, как и в случае опыта Томсона-Тартарковского. Таким образом, было доказано, что волновыми свойствами обладает каждый отдельный электрон.

В начале 30-х годов немецкие физики О. Штерн и И. Эстерман и другие провели опыт, где сформированный диафрагмами атомный пучок (либо молекулярный) направляли на кристалл, а далее фиксировали отраженные пучки. Таким образом впервые наблюдали дифракцию атомных и молекулярных пучков.

Позже наблюдалась дифракция протонов, а также дифракция нейтронов, получившая широкое распространение как один из методов исследования структуры вещества.

В настоящее время группой австрийских ученых под руководством Антона Цайлингера получены результаты по дифракции фулернов и тяжелых молекул фталоцианина. Но насколько адекватны полученные результаты, ведь изучаемые объекты являются макрообъектами, остается не понятным.

Так, было доказано экспериментально, что волновые свойства присущи всем без исключения микрочастицам. Хорошо известно, что явление дифракции нашло широкое применение в изучении свойств веществ [3].

Применение дифракции частиц для изучения физических объектов

дифракция частица волна спектр

При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых данное вещество состоит, то есть с электронами и атомными ядрами.

Дифракция частиц - рассеяние микрочастиц (электронов, нейтронов, атомов и др.) кристаллами или молекулами жидкостей и газов, при котором из начального пучка частиц данного типа возникают дополнительно отклонённые пучки этих частиц. Направление и интенсивность таких отклонённых пучков зависят от строения рассеивающего объекта.

Дифракция частиц, сыгравшая в своё время столь большую роль в установлении двойственной природы материи - корпускулярно-волнового дуализма (и тем самым послужившая экспериментальным обоснованием квантовой механики), давно уже стала одним из главных рабочих методов для изучения строения вещества. На данном явление основаны два важных современных метода анализа атомной структуры вещества - электронография и нейтронография.

Как известно нейтроны не имеют электрического заряда. Таким образом, при движении в веществе эти частицы не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Нейтроны не ионизируют атомы и молекулы, как это делают заряженные частицы проходя через вещество. Нейтроны обнаруживают по вторичным эффектам, которые возникают при взаимодействии их с ядрами. При столкновениях с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды. В результате соударения нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах. При этом следует рассматривать упругое и неупругое рассеяния. При втором виде взаимодействия изменяется природа соударяющихся частиц. Происходят ядерные реакции и наблюдается деление тяжелых ядер. Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы - тепловые, медленные и быстрые нейтроны.

Нейтрон любой энергии легко проникает в ядро где вызывает разнообразные ядерные превращения и также претерпевает рассеяние на ядрах. Интенсивностью этих микроскопических процессов, в конечном счете, определяются все макроскопические свойства прохождения нейтронов через вещество, такие, как замедление, диффузия, поглощение и т. д.

Взаимодействие нейтронов с атомными ядрами является основным видом взаимодействия с веществом.

Относительная роль каждого процесса определяется соответствующим сечением. В некоторых веществах, для которых роль упругого рассеяния относительно высока, быстрый нейтрон теряет свою энергию в серии последовательных актов упругого соударения с ядрами вещества (замедление нейтронов). Процесс замедления продолжается до тех пор, пока кинетическая энергия нейтрона не сравняется с энергией теплового движения атомов замедляющего вещества (замедлителя). Такие нейтроны называются тепловыми. Дальнейшие столкновения тепловых нейтронов с атомами замедлителя практически не изменяют энергии нейтронов и приводят только к перемещению их в веществе (диффузия тепловых нейтронов), которое продолжается до тех пор, пока нейтрон не поглотится ядром.

Очень широко применяются в структурных исследованиях нейтронографические методы. В силу того, что дебройлевская длина волны медленных (тепловых) нейтронов сравнима по порядку величины с расстояниями между атомами в конденсированных средах, дифракция нейтронов позволяет изучать взаимное расположение атомов, т.е. структуру вещества. Поскольку масса нейтрона соизмерима с массой атома, а кинетическая энергия тепловых нейтронов сравнима с энергией межатомных взаимодействий в веществе, то это дает возможность по результатам неупругого рассеяния нейтронов изучать динамические свойства атомов и молекул.

Наличие у нейтрона магнитного момента позволяет по результатам дифракционных опытов изучать магнитную структуру твердых тел, то есть величину магнитных моментов атомов, их взаимное расположение и ориентацию относительно кристаллографических осей. Соответствующий метод структурных исследований получил название магнитной нейтронографии. В настоящее время это единственный прямой метод определения магнитной структуры твердых тел.

Рассмотрим результаты нейтронографических исследований магнитной структуры кристалла MnO . При комнатной температуре это соединение является парамагнетиком, а при температуре ниже точки Нееля Т_N = 80 K (аналог точки Кюри для ферромагнетиков) переходит в антиферромагнитное состояние, характеризующееся антипараллельным упорядочением магнитных моментов на атомах марганца. Сравнение зависимостей интенсивности дифрагировавшего пучка нейтронов от угла рассеяния, полученных при двух значениях температуры кристалла (выше и ниже точки Нееля) ( рисунок 2), показывает, что упорядочение магнитных моментов в кристалле приводит к появлению дополнительных дифракционных максимумов. Наличие этих максимумов позволило установить, что период элементарной магнитной ячейки кристалла по всем направлениям оказывается вдвое больше структурного.

Рисунок 2 - Результаты исследования магнитной структуры кристалла MnO с помощью дифракции нейтронов - угловая зависимость интенсивности дифрагировавшего пучка нейтронов при температурах 80 К и 293 К

Итак, приведем описание метода нейтронографии. Исследуемый объект облучается пучком тепловых нейтронов, которые имеют длину волны де Бройля в диапазоне от десятых долей ангстрема до 10 ангстрем. При этом длина волны по порядку величины равна межатомному расстоянию. Нейтроны из-за нейтральности глубоко проникают в структуры где рассеиваются на атомах вещества. Для регистрации рассеяния используются нейтронные спектрометры, при помощи которых измеряется интенсивность рассеивания нейтронов в зависимости от угла дифракции [4]. По полученным дифракционным спектрам восстанавливается атомная структура исследуемого объекта.

Заключение

В работе рассмотрены основные понятия, связанные с дифракцией частиц. Дифракция частиц это явление кваможет быть понята лишь на основе квантовой теории. Дифракция - явление волновое, оно наблюдается при распространении волн различной природы: дифракция света, звуковых волн, волн на поверхности жидкости и т.д.

Условием проявления дифракции волн абсолютно любой природы является соизмеримость длины падающей волны л с расстоянием d между рассеивающими центрами.

В твердом теле рассеивающими центрами являются атомы кристаллической решетки. Таким образом, явление дифракции можно использовать для изучения структурных и магнитных свойств объекта.

Основным методом для изучения атомной и магнитной структур является нейтронография.

Список использованной литературы

[1] Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля.// Издание 7-е, исправленное. -- М.: Наука, 1988. -- 512 с. -- («Теоретическая физика», том II). -- ISBN 5-02-014420-7.

[2] Бройль Луи де. Революция в физике (Новая физика и кванты). //2-е изд. -- М: Атомиздат, 1965. -- 232 с

[3] Б. Н. Брукхауз Спектроскопия медленных нейтронов и Великий Атлас физического мира // Успехи физических наук. -- 1995. -- Vol. 165. -- P. 1381. -- DOI:10.3367/UFNr.0165.199512d.1381.

[4] К. Г. Шулль Раннее развитие физики нейтронного рассеяния // Успехи физических наук. -- 1995. -- Vol. 165. -- P. 1399

Размещено на Allbest.ru