3. Механика микроскопических структур

Основным объектом анализа в рамках данного курса являются структуры особого типа — микроскопические(такие, как атомы, молекулы, ионы и др.) Задача механического описания микроскопических структур имеет ряд специфических особенностей, которые необходимо понимать и учитывать.

3.1. Экспериментальные основы микромеханики

Механическое описание всегда опирается на результаты экспериментальных измерений, которые доставляют нам конкретные числовые значения наблюдаемых и тем самым дают возможность охарактеризовать конкретное механическое состояние системы или совокупность таких состояний, которые возможны в тех или иных условиях.

Основная проблема, с которой приходится иметь дело при проведении измерений над микроскопическими объектами, заключается в несоответствии масштабов исследуемых структур и измерительных приборов, имеющихся в нашем распоряжении. Рассмотрим задачу измерения массы электрона, входящего в состав атома гелия. Стандартная процедура измерения массы хорошо известна — она сводится к взвешиванию объекта на весах, снабженных набором эталонных масс. В обычных ситуациях эта процедура легко выполнима. Однако при переходе к микроуровню возникает целый ряд непреодолимых проблем.

Во-первых, очевидно, что экспериментатор не может проникнуть со своими весами внутрь атома. Поэтому, для начала, необходимо извлечь электрон из атома и поместить его в измерительный прибор — на чашку весов. Очевидно, что извлечение электрона из атома — задача отнюдь не простая. Эта процедура неизбежно сопровождается затратами энергии, необходимыми для преодоления электрических сил, действующих в атоме как между электронами, так и между электроном и ядром. Поэтому нельзя дать гарантии, что наши усилия, затраченные на разрушение атома, не повлекут за собой определенного изменения массы извлеченного электрона. Отсюда следует важный вывод: результаты измерений, выполненных над изолированной частицей, нельзя непосредственно переносить на те же частицы, но включенные в состав некоторой структуры.

Во-вторых, после того, как электрон извлечен из атома и помещен на весы, необходимо сравнить его массу с массой эталона. Однако ни один из наборов разновесов содержит таких маленьких гирь, и изготовить их не представляется возможным в принципе.

В-третьих, даже если бы надлежащие разновесы нашлись, провести измерение с необходимой точностью все равно бы не удалось. Дело в том, что сами весы (и разновесы) состоят из огромного числа атомов и электронов, которые могут уходить в окружающую среду или наоборот, приходить оттуда. Очевидно, что весы пригодны для взвешивания только таких объектов, масса которых на много порядков превышает массы микрочастиц.

Приведенных соображений уже достаточно для получения однозначного вывода: стандартные измерительные процедуры абсолютно неприменимы для исследования микроструктур и должны быть заменены другими, специально приспособленными для объектов именно такого типа. Именно поэтому микромеханика возникла гораздо позже обычной механики — тогда, когда были разработаны подходящие измерительные процедуры и необходимые для их выполнения приборы.

Измерения над микроструктурами и микрочастицами производятся при помощи специальных приборов, которые называются спектральными анализаторами.Спектральный анализатор состоит из двух основных компонентов — детектора и дискриминатора.