Електронна фізика
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 об’єктів, 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 (Нобелів. 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 (Нобелів. 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, від’ємно 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 зв’язані 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 зв’язку 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 об’ємні 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 зв’язку 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
Рекомендована література
- 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
Світ-суспільство-культура 
