Електронна фізика

Визначення і загальна характеристика

ЕЛЕКТРО́Н­НА ФІ́ЗИКА — галузь фізики, що досліджує електрон­ні явища і процеси. Електрон­ні процеси ві­ді­грають провід­ну чи ж навіть ви­значал. роль у більшості галузей природо­знавства, це зумовлено їхньою роз­по­всюдженістю (електрони як най­дрібніші частки матерії входять до складу кожного атома), сприйнятливістю до зовн. впливів та ефектив. взаємодією з довкі­л­лям. Прикладом електрон. явища є електричний струм, за­стосува­н­ня якого у металах докорін­ним чином змінило людське життя, ставши основою індустр. революції і побут. пере­вороту. Напів­провід­ник. матеріали (див. Напівпровідники та Напів­провід­никові прилади) спричинили прорив у електрон. техніці та інформ. технологіях, що ви­значають НТП на сучас. етапі. Електрич. струм у вакуумі упродовж тривалого часу був основою електрон­ної техніки. Не­зважаючи на майже повне його витісне­н­ня твердотіл. елемент. базою, деякі з унік. за­стосувань мають і нині пер­спективи, напр., викори­ста­н­ня потуж. електрон. пучків в установках інерцій. термоядер. синтезу (екс­перим. комплекс «Ангар-5-1», запущ. 1984, Держ. наук. центр РФ «Троїцький ін­ститут ін­новац. і термоядер. досліджень», Моск. обл.), в електрон. при­скорювачах, лазерах на вільних електронах; жит­тє­здатним у майбутньому може виявитися транс­портува­н­ня енергії електрон. пучками для колоністів на Місяці. Електрич. струм у газах (див. Електричного роз­ряду в газі фізика) важливий у сучас. науці і техніці насамперед для створе­н­ня невичерпних джерел енергії на основі керов. термоядер. синтезу, а також джерел спонтан­ного і когерент. (лазери) ви­промінюва­н­ня для сучас. технологій. І все ж термін «Е. ф.» вичерпує собою коло питань, що до­зволяють кваліфікувати її як науку про будову і властивості атом. систем, а також процеси і явища, стимульов. взаємодією електрон. пучків з речовиною в газоподібному, рідкому й конденсов. станах. Перші дослідж. пучків зарядж. часток виконано ще на­прикінці 19 ст. Зокрема за допомогою т. зв. катод. променів отримано чіткі зображе­н­ня деяких обʼєктів, що засвідчило про подібність їх пошире­н­ня роз­по­всюджен­ню світлових променів у геом. оптиці (нім. фізик Е. Ґольдштайн, 1876). Зміще­н­ня ж отриманих зображень магніт. полем пере­конало, що катодні промені — це потік негативно зарядж. частинок (британ. фізико-хімік В. Крукс, 1879). У 1895 нім. фізик В.-К. Рентґен зробив. істор. від­кри­т­тя Х-променів, ви­промінюва­н­ня яких виникає у вакуум. трубці при бомбардуван­ні металевого антикатода при­скореними до 10–150 кВ електронами. Втім, сам електрон — першу з елементар. часток — від­крив англ. фізик Дж.-Дж. Томсон 1897 досліджуючи катодні промені, які він ототожнював з негативно зарядж. корпускулами, — це від­кри­т­тя ві­діграло світо­глядну роль у фізиці, змінивши уявле­н­ня про структуру атома. 1913 нім. фізики Дж. Франк і Ґ. Герц (Нобелівська премія 1925), ви­вчаючи проходже­н­ня електронів крізь пару ртуті, довели, що внутр. енергія атома не може змінюватися неперервно, а при­ймає певні дис­кретні значе­н­ня, що згодом дало можливість екс­периментально під­твердити теорію атома Бора. Амер. фізики К. Девіс­сон (Нобелівська премія 1937 спільно з англійцем Дж.-П. Томсоном) і Л. Джермер викори­стали 1927 електрон. пучок з енергією 100 еВ для дослідж. кри­сталіч. структури твердого тіла і вперше отримали дифракц. картину від­битих поверх­нею монокри­стала нікелю електронів. Врешті-решт, завдяки зуси­л­лям багатьох дослідників, встановлено, що електрон — це стабільна, від­ʼємно зарядж. елементарна частинка із зарядом 1,6∙10^–19 К, спіном 1/2, масою 9∙10^–28 г, магніт. моментом, що рівний магнетону Бора, й належить до класу лептонів; йому притаман­ні електромагнітна та гравітац. взаємодії, він є однією з осн. структур. часток речовини. В атомі електрони обертаються навколо ядра на орбітах, утворюючи електрон­ні оболонки, і найменш звʼязані електрони, що рухаються зовн. орбітами, ви­значають оптичні, електричні, магнітні й хім. властивості атомів, молекул, а також твердих тіл. Багато інформації про властивості речовини у різних станах можна отримати при її взаємодії з електрон. пучками (зондуван­ні), залежно від енергії електрон. пучка можна стимулювати різного роду взаємодії. Зокрема, шкалу досягнутих енергій пучків електронів можна умовно роз­ділити на малі (0–100 еВ), середні (100 еВ–1 кеВ) і високі енергії (1 кеВ і вище, аж до 1 ТеВ). Для формува­н­ня електрон. пучків у такому широкому інтервалі енергій роз­роблено спец. електрон­но-оптичні системи, їх конструюва­н­ня згодом набуло значного рівня досконалості у звʼязку з впровадже­н­ням автоматизов. систем проектува­н­ня. Одночасно вдосконалювалися засоби монохроматизації електрон. пучків та енергет. аналізу з високою роз­дільною здатністю роз­сіяних електронів. На цій основі бурхливо роз­вивається електрон­на спектроскопія. Так, для дослідж. властивостей речовини за допомогою методів електрон. спектро­скопії слід сформувати пучок електронів певної енергії та геометрії й спрямувати його на мішень. Результати взаємодії реєструють у ви­гляді виходу продуктів, утвор. при взаємодії, їх кутових та енергет. залежностей, використовуючи широкий спектр різноманіт. детекторів, зокрема аналізатори енергій електронів, детектори електронів, фотонів, іонів. Вирішал. роль для якомога більшої інформативності при цьому мають моно­енергетичність електрон. пучка та роз­дільна здатність енерго­аналізатора. І якщо в перших дослідах значе­н­ня пів­ширини енергет. роз­поділу електронів у пучку складала 1–3 еВ, то остан­нім часом вона сягає 1 меВ. Від 1930-х рр. електрони низьких і серед. енергій за­стосовують для дослідж. процесів збудже­н­ня й іонізації атомів та молекул, в результаті яких від­крито т. зв. тонку структуру оптич. функцій збудже­н­ня спектрал. ліній, резонанси в пружному і непружному роз­сіюван­ні електронів атомами та молекулами, резонанс. характер збудже­н­ня енергет. рівнів атомів, автоіонізац. явища та ін. Результати цих дослідж. склали зміст нового наук. напряму в Е. ф. — фізики електрон. і атом. зі­ткнень. В остан­ні роки інтенсивно ви­вчають взаємодію ультрамоно­енергет. електронів зі складними молекулами, зокрема й біо­молекулами, у яких виявлено сут­тєву частку ефекту прилипа­н­ня повільних електронів (0–10 еВ) до молекул із утворе­н­ням стабільних негатив. іонів молекул і їх фрагментів. Крім того, досліджують процеси збудже­н­ня коливних рівнів молекул, одно- та багатозарядних іонів. При взаємодії електронів серед. енергій ефективно від­бувається збудже­н­ня внутр. електронів атомів (за­мкнутих електрон. оболонок) з утворе­н­ням збуджених іон. станів і т. зв. автоіонізац. станів, їх ви­вче­н­ня — це ще один із нових напрямів електрон. спектро­скопії. В арсеналі Е. ф. також чимало засобів і методів ви­вче­н­ня будови твердих тіл. Зокрема, аналізуючи енергет. спектри та кутові роз­поділи від­битих від поверх­ні твердих тіл електронів, ви­значають енергет. структуру поверх­ні твердого тіла, а також його обʼємні властивості. При опромінен­ні поверх­ні твердого тіла електронами за­даної енергії виникає спектр вторин. електронів. Частина бомбардувал. електронів може пружно роз­сіюватися поверх­нею досліджув. речовини, проте, якщо атоми роз­таш. у кри­сталіч. ґратці на великих площах, то пружно від­биті електрони утворюють дифракц. пучки, — на цьому явищі базується метод дифракції повільних електронів. Коли ж енергія бомбардувал. електронів більша, ніж енергія звʼязку електрона на якійсь електрон. оболонці, то можливий процес іонізації атомів, — на цьому явищі роз­роблено методи Оже-електрон. спектро­скопії та спектро­скопії порогових потенціалів. Аналіз пружно від­битих та непружно роз­сіяних електронів є інформатив. щодо енергет. структури і доповнює оптичні методи дослідж. поверх­ні твердого тіла. Широко за­стосовують електрони у фізиці високих енергій, роз­сіюючи їх на різних ядрах та елементар. частинках, коли енергії електронів сягають від десятків, сотень МеВ до десятків ГеВ. В Україні екс­перименти із за­стосува­н­ням електронів низьких енергій та від­повід­ні теор. дослідж. почали провадити на­прикінці 1920-х рр. в Ін­ституті фізики АН УСРР (Київ) під керівництвом Н. Моргуліса. А електрони з високими енергіями були отримані і задіяні в екс­периментах в Укр. фіз.-тех. ін­ституті (нині ННЦ «Харків. фіз.-тех. ін­ститут» НАНУ) під керівництвом К. Синельникова і Я. Файнберґа. Так, ліній. при­скорювач електронів (ЛПЕ) побудовано 1952 на енергію при­скоре­н­ня 0,7 МеВ, а 1965 — до 2 ГеВ, і на той час цей ЛПЕ був найбільшим у світі. Електрони з високими енергіями до декількох десятків ГеВ за­стосовують для ви­вче­н­ня структури елементар. частинок, перш за все, протонів. При­скорювач електронів на енергію 30 МеВ (мікротрон М-30; роз­робники С. Капіца та В. Мільохін, Ін­ститут фіз. про­блем АН СРСР, Москва, 1972) за­стосовують для фундам. та приклад. дослідж. в Ін­ституті електрон. фізики НАНУ (Ужгород). Різні типи електрон. при­скорювачів на енергію декілька ГеВ використовують у т. зв. синхротронах — потуж. джерелах ви­промінюва­н­ня в широкій, від інфрачервоної до рентґенів., області спектра, а при­скорювачі до 10–20 КеВ — у мед. практиці.

Літ.: Фриш С. Э. Оптические спектры атомов. Москва; Ленин­град, 1963; Ахиезер А. И., Рекало М. П. Электродинамика адронов. К., 1977; Elektron i svet oko nas: Zavod za udzbenike i nastavna sredstva. Beograd, 1997; Таньшина А. В. Засновники харківських шкіл у фізиці. К., 2006.

О. Б. Шпеник

Завантажити статтю