Глава 2. Механика микроструктур
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. Наиболее важная из них связана с необходимостью использования особой методики для экспериментального исследования микромира.
2.1. 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. 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 (разновесов). В обычных ситуациях эта процедура легко выполнима. Однако при переходе к микроуровню возникает целый ряд 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, электроны которых могут уходить в окружающую среду или наоборот, приходить оттуда. Очевидно, что весы традиционной конструкции 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 —детектораидискриминатора.
Детекторыпредназначены для обнаружения ("детектирования") микроскопического объекта в определенной области пространства — в той, в которой помещен сам детектор (размер этой области зависит от конструкции детектора). Любой объект, так или иначе, взаимодействует с окружающими телами. Например, представим себе движущийся электрон. Очевидно, что электрон будет оказывать на нас некоторое влияние посредством электромагнитных взаимодействий с атомами нашего тела. Мы, конечно, не сможем обнаружить электрон, поскольку интенсивность взаимодействий чрезвычайно низка. Можно, однако, попытаться усилить эффект этих взаимодействий до необходимой интенсивности. Для этого необходимо специальное устройство — усилитель, который в данном случае может представлять собой заряженный электрический конденсатор, помещенный в газовую среду:
В обычном состоянии вольтметр показывает постоянное значение напряжения между электродами. При попадании электрона внутрь прибора может произойти следующее: электрон, столкнувшись с молекулой газа, вызовет ее ионизацию. Под действием электрического поля образовавшийся молекулярный ион начнет разгоняться и в итоге вызовет появление новых молекулярных ионов. Энергия, необходимая для их образования, поставляется источником напряжения и не связана с энергией самого электрона, инициировавшего процесс. Когда таких ионов станет достаточно много, произойдет пробой слоя диэлектрика и конденсатор разрядится. Это событие можно легко зафиксировать, наблюдая за колебаниями стрелки вольтметра. Если вместо вольтметра в цепь включить динамик, то в момент пробоя раздастся резкий щелчок. Таким образом, благодаря своему специфическому устройству, прибор позволяет усилить эффект микроскопического события — столкновения электрона с молекулой газа — до макроскопических масштабов, доступных нашим органам чувств. Усиление осуществляется за счет использования электрической энергии, которая была потрачена ранее на приведение прибора в работоспособное состояние.
Отметим характерную особенность произведенного опыта: его результат имеет чисто качественный характер — щелчок, колебание стрелки и т.д. Величина этого эффекта совершенно не зависит от свойств детектируемого электрона, а определяется устройством прибора — напряжением, расстоянием между электродами, химической природой газа и др. Поэтому единственный вывод, который может быть в итоге сделан, сводится к следующему: раз детектор сработал (последовал щелчок), то в нем находилась некоторая частица, инициировавшая ионизацию молекул газа. Таким образом, подобные устройства позволяют обнаруживатьмикрочастицы за счет усиления чрезвычайно слабых взаимодействий, которые имеют место между ними и объектами окружающей среды.
Таких устройств-усилителей, которые могут использоваться в качестве детекторов микрочастиц, известно достаточно много. В качестве конкретных примеров можно привести: описанные выше разрядные детекторы (счетчики Гейгера), фотоэмульсии, люминесцентные экраны, пузырьковые камеры, искровые камеры, фотоумножители и т.д.
Сам принцип действия детекторов таков, что они способны лишь фиксировать наличие микрочастицы в определенном месте пространства (или подсчитывать число таких частиц, попадающих в данное место за определенный промежуток времени), но не могут измерять числовые значения наблюдаемых этих микрочастиц. Поэтому детекторы всегда снабжаются дополнительным устройством — дискриминатором. Это устройство предназначено для сортировки частиц по их свойствам.
Пусть имеется несколько ионов, отличающихся по величине заряда. Разгоним эти ионы электрическим полем и пропустим полученный ионный пучок через конденсатор. Проходя через электрическое поле, ионы будут подвергаться действию электрических сил. Принципиально важно то, что одинаковые ионы будут вести себя одинаково, а разные — по-разному. Например, катионы будут отклоняться к катоду, а анионы — к аноду, двухзарядные катионы будут отклоняться сильнее, чем однозарядные и т.д. В результате, вместо одного пучка частиц на входе получим несколько вторичных пучков на выходе из нашего прибора.
Очевидно, что все частицы, попавшие в один вторичный пучок, в определенном отношении одинаковы (например, по величине своего электрического заряда). Напротив, если две частицы оказались в разных пучках, то их свойства (электрические заряды) различны. Таким образом, в результате действия нашего прибора: 1) частицы оказались рассортированы по величине определенной наблюдаемой — электрического заряда, 2) частицы с разными величинами заряда оказались разделенными пространственно. Поставив на пути выходных пучков детекторы, можно легко установить число частиц каждого сорта, имевшихся в нашей исходной системе.
Остается решить еще одну проблему — "прокалибровать" прибор, т.е. установить, какое именно значение заряда соответствует каждому конкретному выходному пучку. Это можно сделать на основании известных законов электромагнетизма, которые были установлены в результате экспериментального исследования макроскопических объектов. Таким образом, в микромеханике принимается важное предположение: некоторые законы физики в равной степени справедливы для объектов любого пространственного масштаба. Эта гипотеза является необходимой платой за возможность применения механического способа описания к микрообъектам.
Таким образом, можно заключить, что спектральный анализатор позволяет измерять значения наблюдаемых у микрообъектов косвенным образом: 1) с помощью дискриминатора объекты сортируют по величине интересующей наблюдаемой на отдельные, пространственно разделенные группы, 2) по сигналам детекторов определяют, в какие именно вторичные пучки попали частицы, 3) на основании сделанной заранее калибровки частицам приписываются определенные числовые значения наблюдаемой.
Такие приборы пригодны и для выполнения измерений над отдельными частицами. Например, мы хотим измерить электрический заряд некоторой частицы. Мы должны взять описанный выше прибор, приготовить частицу (т.е. извлечь ее из образца вещества и разогнать электрическим полем), пропустить ее через дискриминатор и посмотреть, который именно из расположенных на выходе детекторов сработал. В итоге частице приписывается то значение заряда, которое написано на сработавшем детекторе.
Необходимо подчеркнуть, что функционирование спектрального анализатора обеспечивается его надлежащим устройством (конструкцией). Другими словами, каждый спектральный анализатор предназначен для измерения только одной наблюдаемой.