Физика микромира

подобных оптических элементов в этом случае нужны материалы с коэффициентом

преломления, большим  единицы[2]. Из-за

особенностей взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (мы здесь не будем

касаться подробностей этого вопроса) коэффициент преломления  их практически во

всех материалах близок к единице, а точнее - несколько меньше единицы. Даже

лучшие полированные поверхности не могут обеспечить зеркального отражения

рентгеновских лучей (длины волн рентгеновского излучения практически всегда

меньше средних  размеров неоднородностей поверхности). Это обстоятельство

препятствует созданию зеркального рентгеновского микроскопа.

Несмотря на перечисленные  затруднения, в СССР и за границей были успешно

проведены эксперименты в области рентгеновской микроскопии, используя

некоторые специальные  приемы. Правда, результаты этих работ пока не получили

технической реализации. Кроме того, они в настоящее  время не дают возможности

надеяться на какое-либо продвижение в сторону дифракционного предела,

соответствующего  диапазону рентгеновского излучения. Вместе с тем проблема

рентгеновской микроскопии является в настоящее время настолько актуальной,

что в технике  получили развитие некоторые «обходные» приемы, основывающиеся на

сочетании методов  рентгеновской проекции с радиотехническими (в том числе

телевизионными) устройствами, позволяющими получить дополнительное увеличение

(10¸30*) и приемлемое  разрешение (порядка нескольких  десятков микрон). И

хотя это чрезвычайно далеко от потенциальных возможностей рентгеновской

микроскопии, подобные устройства находят применение в науке и технике.

                  Электроны и электронная оптика.                 

Подлинная революция  в микроскопии произошла в 20-х годах нашего века, когда

возникла идея использовать в ней потоки частиц - электронов. На основе этой

идеи возникла и быстро развилась новая область  науки ? электронная

микроскопия, позволившая  осуществить наиболее глубокий прорыв в области

видения и изучения сверхмалых объектов.

Мы привыкли к  тому, что видение объекта, формирование его изображения связаны

с поступлением в  прибор (а в конечном счёте в  глаз) световых волн от этого

предмета, того, что  мы называем излучением. Как же можно получить

изображение объекта, причём даже с гораздо более высокой разрешающей

способностью, используя  не световое излучение, а поток электронов? Другими

словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а

частиц?

Забегая несколько  вперед, скажем, что электроны проявляют волновые свойства

отнюдь не в  меньшей мере, чем «настоящие», привычные волны, например, радио

или световые. Но об этом ниже... Вместе с тем электроны ведут себя как

настоящие частицы, обладающие массой, траекторией движения, энергией и

другими свойствами, присущими различным предметам. Так в первую очередь

ведут себя электроны  во многих приборах и устройствах, широко применяющихся

не только в  науке и технике, но и в быту ¾ в электронных лампах,

кинескопах и других электронных приборах радиоприёмников и телевизоров.

Современная физика весьма подробно знает «анкетные  данные» электрона. Это

отрицательно заряженная частица (e=4,8e-10 CGSE) с массой 9,1e-28 г, но

физики тщательно  обходят вопросы, которые иногда хочется задать чрезмерно

любопытным, например о форме электрона, а о его  размерах обычно говорят с

оговорками. Звучит эта оговорка примерно так: «классический радиус электрона

составляет ~ 10-13 см, а в рамках релятивистской теории это вообще точечная

частица». Если не касаться определённой группы ситуаций, в которых электроны

ведут себя не по правилам «здравого смысла» (об этом ниже), то это частицы,

поведение которых  можно описать и весьма точно  рассчитать по законам механики

и теории электромагнетизма, как и любого другого объекта. Правда, в этих

случаях, т. е. тогда, когда ещё не проявляются закономерности так называемой

квантовой механики, приходится учитывать проявление эффектов теории

относительности (релятивистских эффектов) и в первую очередь возрастание

массы электрона с ростом скорости его движения.

Во многих практических применениях электронных потоков, например в вакуумных

приборах, электроны  ведут себя как вполне «нормальные» частицы. Под действием

известной силы, например, создаваемой электрическим полем между электродами,

электрон приобретает ускорение, пропорциональное силе и обратно

пропорциональное его массе. Движущиеся потоки электронов эквивалентны

электрическим токам, поэтому могут эффективно взаимодействовать  с внешними

магнитными полями. Таким образом, электрические и магнитные поля могут

существенно влиять на траектории и скорости электронных потоков, и с помощью

таких полей можно  управлять движением электронов. Наука, занимающаяся

нахождением траекторий движения электронов в электрических  и магнитных полях,

а также расчётом элементов и устройств, способных  формировать нужные поля,

называется электронной  оптикой (обратите внимание ¾ электронной

оптикой ).

Более подробный  анализ анкетных данных электрона обнаруживает необычность ряда

его свойств. Действительно, если подходить к электрону с обычными мерками и

считать, что он занимает объём V и обладает массой m, то «плотность вещества в

электроне» r»(m/V)=(9,1e-28)/(4/3*p*r3)»1011 г/см3 (!). Здесь мы считаем

электрон шариком с радиусом r порядка 10-13 см. Масса, заряд и некоторые

другие постоянные, характеризующие электроны, известны уже с весьма высокой

точностью[3]. Вопрос о том, каким образом

электрон удерживается как целое и не разлетается под действием сил

расталкивания, выходит  далеко за рамки этого реферата¼

Если предметам, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, достаточно

трудно сообщить большую скорость (например, порядка нескольких километров в

секунду), то электрон даже в поле с U=1В приобретает скорость

V=(2*e/m*U)0,5»6e7 см/сек. Таким образом, электроны легче разогнать до

больших скоростей, чем «остановить», т. е. заставить  находиться в покое.

Электроны в обычной медицинской рентгеновской трубке тормозятся в

поверхностном слое антикатода, проходя при этом путь в несколько ангстрем.

Отрицательное ускорение на пути s (например, при U»100 кв.) при этом будет

весьма велико:

                    w»(v2)/(2*s)»1023 см/сек2 (!).                   

Наконец, укажем, что, как правило, в наших приборах для их  нормальной

работы необходим  электронный поток, содержащий внушительное число частиц

(например, электронному  току в 1A соответствует поток электронов в 1019

частиц в секунду!).

Итак, положение  с электронами выглядит своеобразно:

1)  есть объект, которым мы умеем управлять  и свойства которого научились

использовать;

2)  мы достаточно  хорошо знаем свойства этого  объекта и научились проводить

измерение даже точнее, чем для многих других объектов, с которыми встречаемся

в повседневной жизни  и которые можем видеть невооружённым  глазом;

3)  никто никогда  не видел электронов, но все  знакомы с результатами его

действий;

4)  с точки  зрения «здравого смысла» и  на основе сопоставления результатов

очень хорошо поставленных экспериментов электрон является далеко не

тривиальным объектом: плотность электронного вещества фантастически велика,

он является сверх  прочным объектом, способным «противостоять»  действию

сверхбольших инерциальных и электрических (кулоновских) сил.

             Электроны ¾ волны!?            

Нечего удивляться, что столь «странная личность», какой является электрон,

ведёт себя уже  совсем необычно в ряде ситуаций. Эти  ситуации проявляются, во-

первых, тогда, когда  электронов много или вернее, когда их много в единице

объёма и, во-вторых, когда электроны взаимодействуют с атомами и молекулами

вещества. Эти и  ряд других ситуаций характерны для  явлений, рассматриваемых

квантовой механикой. Из этой удивительной области мы упомянем только то, что

в ряде ситуаций электрон ведёт себя как волна. Что это  значит?

Мы знаем, что, например, световые волны при взаимодействии с пространственной

периодической структурой претерпевают дифракцию. Точно так же при соблюдении

определённых условий  волны могут интерферировать. Аналогичные свойства

наблюдаются у  электронов. Так, например, в определённых условиях электронный

поток, взаимодействующий с периодической пространственной структурой

кристалла, образует дифракционную картину, которую  можно зафиксировать на

фотопластинке. Известно большое число фактов, когда электроны  проявляют

волновые свойства. Более того, советские учёные В. Фабрикант, Л. Биберман и

Н. Сушкин продемонстрировали волновые свойства отдельных электронов!

Итак, анкетные данные электрона выглядят странно и необычно.

Не вдаваясь в  тонкости вопроса о волновых свойствах  электронов (как и других

микрочастиц!), скажем, что электрону, движущемуся со скоростью v(см/сек),

соответствует длина  волны l=h/(m*v), где m ¾ масса электрона, а h=

6,6e-27 эрг*сек ¾ знаменитая константа Планка.

Так как v=(2*e/m*U), то l=(12,25/U0,5)A°; здесь U выражено в киловольтах.

Так, например, при U=100 кв. l=0,037 A°. Таким образом, если использовать

электроны в микроскопии, то дифракционный предел, обусловленный  волновыми

свойствами электронов, лежит значительно дальше, чем в оптической

микроскопии. А  так как электронами можно  управлять с помощью электрических  и

магнитных полей, то электронная оптика позволяет  нам заранее рассчитывать

такие системы формирования этих полей, которые способны фокусировать потоки

электронов, управлять  электронными лучами и совершать  другие необходимые

действия.

В нашем распоряжении также имеются люминесцентные экраны, которые светятся

при попадании  на их поверхность электронов (вспомним работу кинескопа в