Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

Волны рентгеновского излучения — электромагнитные волны длиной от 10 нм до 0,01 нм. Если сравнивать, то Солнце, к примеру, посылает на Землю не так уж и много рентгеновского излучения, однако оно в избытке выделяется сильно нагретыми газовыми облаками, которые растягиваются между группами сталкивающихся галактик на миллиарды световых лет. Впрочем, далеко ходить на надо: рентгеновские волны излучает и металлический предмет, если его бомбардировать быстрыми электронами. Именно так образуется рентгеновское излучение, с помощью которого делают снимок кости сломанной руки. Обладающие высокой энергией протоны легко проникают через мягкие ткани тела, но через кости им проникнуть сложнее, поэтому в местах костной структуры на снимке остается тень. Фотоны волн рентгеновского излучения также ионизируются, они способствуют образованию раковых клеток еще больше, чем волны ультрафиолетового излучения. Поэтому длительного облучения этими волнами следует избегать.

Наконец, мы добрались и до них, этих высокочастотных электромагнитных волн — волн гамма-излучения. Длина их волны — менее 0,01 нм; это самые короткие волны, с наиболее энергичными фотонами. В космосе они образуются небесными телами раскаленными куда сильнее, нежели наше Солнце, например, сверхновыми звездами. Здесь, на Земле, их испускают радиоактивные вещества — можете себе представить, до чего гамма-излучение опасно. И хотя для живых организмов они вредны, нет худа без добра — гамма-излучение широко используется в пищевой промышленности для уничтожения бактерий. А еще, как бы парадоксально это ни звучало, смертельно опасные, поражающие живые клетки фотоны спасают жизни: гамма-излучение применяют при лучевой терапии — оно убивает раковые клетки, останавливает их деление.[68]

В 1924 году один французский аристократ продемонстрировал, что исключительная, тесно переплетенная природа волн и частиц выходит за пределы мира электромагнитных волн. Этим аристократом был Луи, седьмой герцог Брольи; в возрасте тридцати двух лет он защитил докторскую диссертацию перед комиссией факультета точных наук парижской Сорбонны. Тема его работы была так необычна, что поначалу экзаменаторы пребывали в замешательстве: присуждать соискателю степень или нет? Бройль утверждал: раз Эйнштейн убедительно доказал, что световые волны могут быть описаны как потоки мельчайших частиц, теперь известных как фотоны, то, возможно, верным будет и обратное. Что потоки мельчайших частиц вещества, например, электроны или даже атомы, каждый из которых обладает массой (пусть и ничтожной), могут быть описаны как волны.

В то время как математические выкладки Бройля выглядели безупречными, его вывод наверняка показался нелепым. Однако комиссия, пусть и с некоторыми сомнениями, докторскую степень ему все же присудила. Один из экзаменаторов показал работу Бройля Эйнштейну; она произвела на ученого впечатление. «Может, сама идея и кажется чистым сумасшествием, — писал он одному коллеге, — но с точки зрения обоснования она безупречна».{160}

Упомянутые Бройлем «волны материи» только выглядели абсурдом, потому как вскоре их существование было доказано опытным путем. В 1927 году, спустя всего три года после защиты Бройлем его работы, двое физиков, трудившихся в Нью-Йорке в исследовательском центре компании «Белл» (кроме производства телефонных аппаратов финансировавшей исследования в области фундаментальной физики), обнаружили, что, как и луч света, поток электронов интерферирует с усилением и ослаблением: электроны, составлявшие пропущенный через кристалл никеля поток, распределились в виде концентрированных полос. Молекулярная решетка никеля выполняла функцию прорезей в опыте Юнга, только данные «прорези» располагались много ближе друг к другу (что-то около полумиллионной доли расстояния между прорезями в опыте Юнга).

Таким образом, волновое поведение электронов было наглядно продемонстрировано. Более того, измерив расстояние между полосами получившейся схемы и учтя размеры молекулярной решетки никеля, через которую электроны проходили, физики смогли вычислить длину волны этого потока электронов. Их расчеты один в один совпали с выполненными Бройлем расчетами длины волны, которой должен соответствовать поток электронов, движущихся с данной скоростью.

Принимая в 1929 году Нобелевскую премию по физике за это открытие, Бройль сказал: «Электрон больше не может восприниматься как одиночная, мельчайшая крупинка электричества; он должен ассоциироваться с волной. И существование этой волны — не миф, поскольку ее длина может быть измерена, а тип интерференции спрогнозирован».

Если вдруг вся эта чехарда с волнами и частицами оказалась выше вашего понимания, не впадайте в панику. Оно того стоит? Ведь от корпускулярно-волновой двойственности света нам с вами ни тепло, ни холодно.

Пожалуй, наиболее полезное практическое применение этих знаний — изобретение электронного микроскопа. Того самого прибора, благодаря которому мы разглядели «новогодние ели» на крыльях бабочки из подсемейства морфид. Обычный микроскоп никогда бы не показал, как выглядят малюсенькие «ветви», отвечающие за цветовые переливы крыла. И дело вовсе не в мощности линз или чувствительности оборудования. А в ограничениях любого обычного микроскопа, в работе которого используется видимый свет — предел его разрешения равен половине длины волны видимого света. В него невозможно разглядеть «ветви» менее 100 нм толщиной, ведь длина волны видимого света лежит в диапазоне от 400 до 750 нм.

Электронный же микроскоп дает изображение с гораздо более высоким разрешением. Самые современные микроскопы увеличивают до 0,05 нм{161}, а это меньше размеров атома. Работа таких микроскопов зависит целиком и полностью от волнового поведения потоков электронов. Волны исследуемого вещества можно заставить рассеяться и обогнуть предметы, как это делают световые волны; далее эти волны с помощью специальных линз фокусируют — получается изображение. При длинах волн в одну миллионную длины волны видимого света{162} к примеру, вы хотите сфотографировать волосок на тельце дрозофилы — волны материи имеют свои преимущества.

Существуют два основных типа электронных микроскопов. Растровые электронные микроскопы измеряют электроны, которые выбиваются из опытного образца, бомбардируемого тонким пучком электронов. Просвечивающий электронный микроскоп измеряет схему, которая получается, когда более широкий поток электронов проходит через тончайший срез опытного образца. При этом неважно, проходят электроны через вещество или отскакивают — важно, чтобы все это происходило в вакууме, поскольку молекулы воздуха электроны рассеивают. Поток электронов отделяется от разогретой до высоких температур вольфрамовой нити накаливания с помощью мощного электрического поля; далее электроны в потоке разгоняются до скорости, приближающейся к скорости света.

Одним из главных отличий между микроскопом электронным и оптическим являются используемые в них линзы. Стекло линзы оптического микроскопа для потока электронов окажется слишком мутным. Поэтому в электронных микроскопах изображение получают, применяя в качестве собирающих линз сильные магнитные поля, фокусирующие поток электронов.

Различие между растровым и просвечивающим электронными микроскопами заключается в том эффекте, который получается при бомбардировке опытного образца потоком электронов или фотонов. Поэтому так важна предварительная подготовка образца.

Если предполагается использовать растровый электронный микроскоп, опытный образец покрывают сверхтонким слоем золота, чтобы электрический заряд, нарастающий при бомбардировке образца отрицательно заряженными электронами, отводился до того, как он исказит изображение. Готовя образец для просвечивающего электронного микроскопа, его тонкий слой срезают специальным алмазным ножом, чтобы электроны смогли пройти через него. Толщина слоя получается меньше 0,0001 мм (наверняка тут нужна твердая рука).

Благодаря использованию вместо светового потока пучка электронов электронные микроскопы и дают такое невероятно увеличенное изображение. Без знаний о волнах материи мы никогда не смогли бы узнать дрозофилу так близко, не говоря уже о том, чтобы рассмотреть особые геометрические структуры крыла бабочки.

Но ценность открытия Бройля не только в том, что мы получили возможность видеть маленькие-премаленькие предметы в большом-пребольшом увеличении; оно имело и гораздо более глубокое значение. Ведь если задуматься, тот факт, что Бройль сумел связать описание Эйнштейном света как одновременно и волны, и частицы с материей, представляется делом огромной важности. Бройль — сначала математически, а затем и опытным путем — доказал, что мельчайшие частицы, разогнанные до большой скорости, ведут себя как волны. И это касается не только электронов, а и атомов, молекул.