Рентгеновские лучи, электроны, нейтроны

. Первые эксперименты по расшифровке

Кристаллических структур проводились с помощью Рентгеновских лучей. Они оказались исключительно удобными «инструментами» структурного анализа. Удобными, но не единственными. Электромагнитная волна, которой мы хотим зондировать кристалл, долж­на иметь длину 0,1 нм. Существуют ли в этом диа­пазоне другие виды излучения, кроме рентгеновского?.

Вспомним еще раз дискуссию о природе света. Вначале никто не сомневался, что свет — это либо волны, либо поток частиц. Следовало только произвел сти правильный выбор. После серии дифракционных экспериментов в начале XIX столетия сомнений в вол­новой природе света, казалось бы, не оставалось. Од­нако спустя почти век было установлено, что свет иногда ведет себя как поток частиц — по-другому ни­как не удавалось объяснить явление фотоэффекта. Энергия E световых частиц — квантов света — связа­на с частотой V электромагнитных колебаний простым соотношением

Где коэффициент h = 6,62-Ю-34 Дж-с — постоянная Планка.

В очередной раз произошла переоценка ценностей. Причем двойственность оказалась присущей не толь­ко свету, но и другим видам волн, в частности рент­геновским.

Следующий шаг был сделан в 1923 году француз­ским физиком Луи де Бройлем: если волны могут проявлять свойства частиц, то не могут ли и частицы проявлять свойства волн? Говоря известными словами Н. Бора, идея де Бройля была достаточно безумной, чтобы прожить долгую жизнь.

Чтобы представить теорию в количественной фор­ме, де Бройль должен был сформулировать правило, по которому частице ставилась бы в соответствие волна. Он это сделал, и формула получилась очень простой [17]

Я = h/mv,

Т. е. длина волны, связанной с движением частицы, с помощью постоянной Планка выражена через мас­су частицы т и скорость ее движения v.

Если движущиеся частицы ведут себя как волны, то почему этого никто раньше не замечал? Это глав­ное, что сразу же отпугивает в гипотезе де Бройля. С помощью формулы для длины волны можно найти этому объяснение. Давайте оценим длину волны ав­томобиля массой около 1 т, движущегося со скоро­стью 100 км/ч: м

Х =IFSFtETf – 2>4 •10-38 " = M– ю-» ни.

Эта величина ничтожно мала. А на примере рентге­новских лучей мы уже знаем, как трудно установить волновую природу коротких волн. Из этой оценки также становится ясно, что реально регистрировать волновые свойства материи можно лишь на частицах микроскопически малой массы. И первый «кандидат б волны» — электрон.

Экспериментом по обнаружению волновых свойств электрона суждено было вновь стать дифракции, И вновь на кристалле, на этот раз никеля. Произо­шло это выдающееся для физики событие в 1925 году в Нью-йоркской лаборатории фирмы «Белл-Телефон».

Первооткрывателями волновых свойств вещества стали американские ученые Клинтон Дэвиссон и Ле­стер Джермер.

Принципиальная схема эксперимента по обнару­жению дифракции электронов имеет уже привычный для нас вид (рис. 55). Между кристаллом-мишенью и

Л

Детектор Рис. 55

———– с

Электронная Пушка

Криста/Yi-мишень

Испускающей электроны пушкой поддерживается раз­ность потенциалов V, которая разгоняет электроны до скорости v. Ее можно определить из закона сохране­ния энергии

MEV2 т/ _ /2eV

—— = eV =^v = Л ————————————————————————————

2 V me

Подставляя это выражение в формулу для длины волны де Бройля и используя известные значения за­ряда и массы электрона, получаем

А,(нм)= 1,23

VV(B) ‘

Таким образом, регулируя напряжение, можно легко управлять длиной волны электронов.

Устанавливая детектор рассеянных электронов в разных позициях (или используя фотопластинку), определяют направления, где будут наблюдаться ди­фракционные максимумы.

97

Для подведения итогов этого эксперимента проци­тируем фрагмент из опубликованной в 1927 году зна­менитой статьи Дэвиссона и Джермера: «Самое по­разительное свойство электронных пучков заключа­лось в существовании взаимно однозначного соответ­ствия между наиболее сильными из них и пучками Лауэ, которые выходили бы из того же самого кри­сталла, если бы на него падал пучок рентгеновских лучей…

4 А. С. Штейнберг

Это приводит к мысли, что с падающим пучком электронов можно связать определенную длину вол­ны, причем она оказывается в приемлемом со­гласии с известной в волновой механике величиной h/mv — постоянной Планка, деленной на импульс электрона».

Почти в то же время на другой стороне Атлан­тики, в Англии, аналогичные по смыслу эксперименты были поставлены Джорджем Томсоном и Александ­ром Рейде. Результаты также подтверждали суще­ствование дифракции электронов.

С этого момента гипотеза о волновых свойствах вещества перестала быть гипотезой, и это событие было высоко оценено Комитетом по присуждению Но­белевских премий: в 1929 году этой премии был удо­стоен Луи де Бройль, а в 1937 году Нобелевскую пре­мию по физике разделили Дзвиссон и Tomcoii как руководители двух групп, экспериментально впервые зафиксировавших волны материи.

Интересно отметить, что в 1906 году Нобелевской премией был награжден отец Томсона — Дж. Дж. Том – сон, который первым показал, что электрон — реально существующая частица со своими зарядом и массой. В 1937 году Томсон-отец был еще жив и стал свиде­телем триумфа своего сына. Правы были оба — и отец, и сын.

Электрон стал первой ласточкой. Затем волновые свойства были обнаружены у других частиц, из кото­рых нас больше всего интересует нейтрон. Нейтрон­ные волны удалось зарегистрировать в 1936 году.

Именно эти три вида излучения — рентгеновские лучи, электроны и нейтроны — сегодня используются для анализа структуры кристаллов. С одной стороны, все они ведут себя схоже — как электромагнитные волны определенной длины. Для всех них выпол­няется закон Вульфа —- Брэгга. Тем не менее число различий между ними очень велико. Даже их беглый анализ выходит далеко за рамки этой книги. Поэто­му мы очень кратко остановимся лишь на нескольких пунктах.

С точки зрения простоты, сокращения материаль­ных и финансовых затрат рентгеновские лучи — самая удобная техника. Посудите сами: для их получения нужна всего лишь стандартная промышленная рент­геновская трубка, которая рассчитана на 8000 часов Работы. Кроме того, как правило, рентгеновские из­мерения самые точные.

Нейтроны являются продуктом ядерных реакций, и для их производства требуется уже реактор. Поэто­му если рентгеновская аппаратура имеется практиче­ски в любой материаловедческой лаборатории, то нейтронный анализ менее доступен.

Электронный пучок получить намного легче, чем нейтронный. Для этого часто используется явление тер­моэлектронной эмиссии (хотя есть и другие способы), когда разогретая до высокой температуры вольфра­мовая нить испускает электроны со своей поверхно­сти. В отличие от нейтронов и рентгеновских лучей электроны имеют заряд и поэтому намного сильнее взаимодействуют с веществом. В частности, они обла­дают низкой проникающей способностью, и экспери­менты приходится проводить в вакууме. Вакуумиро – ваиие всегда существенно осложняет работы и яв­ляется (при прочих равных условиях) нежелательной операцией. Другой минус электронной техники — не­обходимость тщательной подготовки образцов.

До сих пор рентгеновские лучи выглядели «иде­альным героем» нашего повествования. Но и на солн­це бывают пятна! Мы уже говорили, что рентгенов­ские лучи взаимодействуют в веществе практически только с электронами. Тяжелых ядер они почти «не замечают». Поэтому изучать с помощью рентгенов­ской техники расположение атомов легких элементов (в которых мало электронов) крайне неудобно. С дру­гой стороны, если разные атомы (пли ионы) имеют равное или близкое число электронов (как K+ и С1~ в опытах Брэгга), рентгеновские лучи не «различают» их. В обоих случаях незаменимым источником ин­формации становится нейтронография. Нейтроны «чув­ствуют» вещество в основном за счет взаимодействия с ядром. Ни от заряда, ни от массы оно практически lie зависит.

Свою «козырную карту» имеют и электроны. Элек­троны— заряженные частицы. О «минусах», связан­ных с этим, мы уже говорили. Но имеются и важные «плюсы»: электронами легко управлять с помощью электрических и магнитных полей. Используя это, оказалось возможным создать электронные микро­скопы, где изображение формируется в электронных волнах.

Сама идея применения в микроскопии иных, не световых, лучен появилась сразу после открытия Аббе в 1873 году, когда стало ясно, что сравнительно боль­шая длина волны видимого света ставит преграду на пути повышения разрешающей способности микроско­па. Единственным известным тогда видом излучения были так называемые катодные лучи. Но природа их была не изучена. Когда Дж. Дж. Томсон показал, что катодные лvчи представляют собой поток частиц—¦ электронов, идея их использования в микроскопии умерла в зародыше.

Она вновь воскресла через два года после от­крытия де Бройля — в 1926 году немецкий теоретик Г. Буш доказал, что магнитное поле может действо­вать на электроны как линза на свет. Это открывало возможность фокусировки электронных пучков. Про­стая связь между прикладываемым разгоняющим на­пряжением и длиной волны электрона (см. с. 97) по­казывала, что можно получить волны на несколько порядков короче световых. Это обещало уникальную возможность увидеть невидимое. Имелась и труд­ность. Человеческий глаз не способен воспринимать изображение в электронных лучах. Но в то время уже существовал способ их визуализации с помощью экранов, покрытых люминофорами. Под действием по­падающих на них электронов эти вещества начинают светиться.

Первый прибор, похожий на современный элек­тронный микроскоп, был создан в Германии в

_ 1931 году и тогда же ди-

ЙЭлектронна* пушка Ректор известной фирмы

«Г. Сименс Шуккертвер-

Электронная ке» получил первый па-

—III___ кондёнсорная линза тент на применение элек-

=L=Tohkh* обра^ тронной оптики.

J г 7 в дальнейшем элек-

I гЭ/кктронносгттическзя тронная микроскопия по-

J I – сис стоянно совершенствова-

Y Экран и/и ТСЬ – СеГ°ДНЯ СУщесхвУеТ

—– ———- фотопластинка большое количество раз­ных по способу использо-

Pnn Rfi

U вания электронных пучков

]

Микроскопов. Самый простой из них — просвечиваю­щего типа, принципиальная схема которого приведена на рис. 56. Но из-за низкой проникающей способности электронов «на просвет» можно смотреть только очень тонкие образцы, приготовление которых, как уже под­черкивалось, требует много времени, умения и усилий.

Электронный микроскоп способен работать в двух режимах. Первый — режим получения изображения. Если же убрать все расположенные за образцом лин­зы, то фотопластинка запечатлеет обычную дифрак­ционную картину.

Но в электронной микроскопии имеется еще одна уникальная и плодотворная возможность — микроди­фракция, т. е. дифракция от очень малого участка образца. В современных приборах размеры этого уча­стка доходят до десятков нанометров. Работа в ре­жиме микродифракции обеспечивается специальными операциями с электронной оптикой, а результаты не­заменимы при анализе некоторых тонких особенно­стей структуры.

Вообще, электронная микроскопия — один из са­мых сложных и в то же время мощных эксперимен­тальных методов современной физики твердого тела. Работа на электронном микроскопе требует высокой практической квалификации и хорошего знакомства с основами теории формирования электронных изо­бражений.

Применение электронов настолько повысило разре­шающую способность микроскопов, что при благо­приятных условиях удается разглядеть даже отдель­ные атомы. Не менее важно, что с помощью электрон­ной микроскопии и микродифракции идентифици­руются самые мелкие выделения новых фаз, видны процессы их роста, их форма и особенности взаимного расположения.

На этом мы заканчиваем рассказ о том, как лу­чами исследуют кристаллы. Мы постарались ответить на главный вопрос главы: можно ли установить кон­кретное расположение атомов в веществе? Расшиф­ровывая дифракционные картины, полученные с по­мощью рентгеновских лучей, электронов или нейтро­нов, удается определить кристаллическую решетку, которую имеет интересующая нас фаза. В частности, кривую охлаждения железа, с которой мы начали эту главу, теперь вполне можно дополнить данными дифракционных экспериментов: а – и 6-железо (см. рис. 12) имеют ОЦК решетку, а у-железо — ГЦК.

ГЛАВА 4