Ученые исследовали неупругое рентгеновское рассеяние, основанное на классическом эксперименте с двумя щелями, чтобы по-новому взглянуть на физические свойства твердых тел. Результаты опубликованы в журнале Science Advances. Работа российской группы поддержана грантом Российского научного фонда. Исследовательская группа во главе с физиками из Кельнского университета представила новый способ исследования электронной структуры твердых тел с помощью резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей, который представляет собой воспроизведение знаменитого опыта Томаса Юнга по интерференции света на двух щелях. Эксперимент проводился в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле.

Схема эксперимента Юнга / Johannes Kalliauer/Wikimedia Commons/Indicator.Ru

Эксперимент по рассеянию света на двух щелях можно считать одним из наиболее значимых событий в физике XIX века. Более 200 лет назад Юнг изучил, каким образом свет проникает через экран, имеющий две небольших прорези. Оказалось, что позади экрана формируются не две полосы (которые можно было бы ожидать, если бы свет представлял собой только лишь поток частиц), а целый набор чередующихся полос, называемый интерференционной картиной. Это противоречит законам классической физики, но легко объясняется в рамках квантовой теории, в которой свет рассматривается не только как поток частиц — фотонов, но и как волна (корпускулярно-волновой дуализм). Уже в XX веке ученые обнаружили, что не только свет, но и электроны, рассеянные на двойной щели, демонстрируют интерференционную картину.

Исследователи из Кёльнского университета совместно с коллегами из Италии, Франции, Швеции и России изучали физические свойства одного из оксидов иридия с помощью резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей. В кристаллической структуре данного вещества имеются изолированные пары ионов иридия (так называемые димеры). Кристалл подвергался высокоэнергетическому рентгеновскому облучению. В данном опыте параллельно идущие друг другу рентгеновские лучи с заранее выбранной длиной волны рассеивались димерами иридия, которые играли роль щелей в классическом эксперименте Юнга.

«Интерференционная картина многое говорит нам о рассеивающем объекте — димере иридия, — говорит профессор Маркус Грюнингер, который возглавляет исследовательскую группу Кельнского университета. — В отличие от классического эксперимента с двумя щелями, неупруго рассеянные рентгеновские фотоны дают нам возможность получить информацию о возбужденных состояниях димера, в частности, об их симметрии, а также о динамических свойствах твердого тела».

Эксперименты на основе резонансного неупругого рентгеновского рассеяния требуют чрезвычайно яркого источника рентгеновского излучения, которое может быть получено с помощью синхротрона. Чтобы специально возбуждать только атомы иридия, ученым пришлось выделять очень малую часть часть излучения, создаваемого синхротроном, а рассеянные фотоны отбирались еще более строго в соответствии с их энергией и направлением, в котором они рассеиваются. В итоге в настоящее время осуществить такой эксперимент с требуемой точностью на основе резонансного неупругого рентгеновского рассеяния возможно лишь на двух синхротронах в мире, включая Европейский центр синхротронного излучения в Гренобле, где команда исследователей и провела свой эксперимент.

«Данный эксперимент очень интересен тем, что с его помощью в ряде случаев можно одновременно получать информацию как о кристаллической структуре рассматриваемого вещества (скажем, расстояние между атомами иридия), так и, например, о том, какие орбитали занимают электроны или на какие уровни они могут быть возбуждены, — говорит завлабораторией Уральского федерального университета профессор Сергей Стрельцов, участвовавший в теоретическом описании опыта. — Таким образом, метод неупругого рентгеновского рассеяния может сочетать достоинства рентгеновской спектроскопии, позволяющей извлекать из эксперимента детальную информацию об электронной структуре вещества (т.е. энергетических уровнях, которые занимают электроны), с теми данными, которые, как правило, получаются с помощью нейтронной (или рентгеновской) дифракции».

Справка:

В эксперименте с двойной щелью видно, что вещество и энергия способны вести себя как волны или частицы. В 1628 году Кристиан Гюйгенгс доказал, что свет выступает волной. Но некоторые люди не соглашались, особенно Исаак Ньютон. Он полагал, что для объяснения потребуются цветные интерференционные и дифракционные эффекты. До 1801 года никто не верил, что свет – волна, пока не появился Томас Юнг со своим экспериментом с двойной щелью – опыт Юнга. Он сделал две близко поставленных вертикальных щели (примерное расстояние между щелями в опыте Юнга можно увидеть на нижней схеме) и пустил сквозь них свет, наблюдая за созданным на стене узором.

Свет проходит сквозь две вертикальных щели и дифрагируется в виде двух вертикальных линий, расположенных горизонтально. Если бы не дифракция и интерференция, то свет просто создал две линии

Двойственность волновых частичек

Из-за волновых характеристик свет проходит сквозь щели и сталкивается, формируя светлые и темные регионы на стене. Он рассеивается и поглощается стеной, приобретая черты частиц.

Эксперимент Юнга

Почему опыт Юнга с двумя щелями всех убедил? Гюйгенс оказался изначально прав, но ему не удавалось показать на практике свои выводы. Свет обладает относительно короткими длинами волн, поэтому для демонстрации обязан контактировать с чем-то небольшим.

В примере используется два когерентных световых источника с одной монохроматической длиной волны (в единой фазе). То есть, два источника будут создавать конструктивные или деструктивные помехи.

Конструктивные и деструктивные помехи

Конструктивные помехи появляются, если волны мешают по гребням, но совпадают в фазе. Это будет усиливать результирующую волну. Деструктивные мешают друг другу полностью и не совпадают, что отменяет волну.

Две щели формируют два когерентных волновых источника, мешающих друг другу. (а) – Свет рассеивается от каждой щели, из-за их узости. Волны перекрываются и мешают конструктивно (яркие линии) и деструктивно (темные участки). (b) – Узор двойной щели для водных волн практически совпадает со световыми. Наибольшая активность заметна на участках с деструктивными помехами. (с) – При попадании света на экран, мы сталкиваемся с подобным шаблоном

Созданный узор не будет случайным. Каждая щель расположена на определенной дистанции. Все волны начинаются с одной фазы, но дистанция от точки на стене к щели создает тип помехи.

Источники: http://www.nanonewsnet.ru/, https://v-kosmose.com/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!