Аспекты социологии научного познания в физике Поздняк Н.И. 10.02.22 1.22 Аспекты социология научного познания в физике. Аспекты социологии научного познания в физике Введение
 Скачать 1.97 Mb.
|
|
9. Сверхпроводимость Изучая проводимость металлов ив том числе, ртуть в зависимости от температуры Г.Камерлинг-Оннес (1823-1956, НП) открыл в 1911 г. явление сверхпроводимости ртути при температуре кипения жидкого гелия 4,2 КВ дальнейших исследованиях оказалось, что все проводники обладают сверхпроводимостью, ноу каждого проводника имеется своя критическая температура перехода вблизи абсолютного нуля. Переход вещества в сверхпроводящее состояние относится к фазовому переходу второго рада, при котором скачком изменятся тепловые и электрические характеристики. При обычной температуре вокруг проводника стоком образуется магнитное поле, так как движение зарядов в проводнике ускоренное. Понижая температуру проводника колебания металлической решетки уменьшается и движение электронов становится более свободным. Во внешнем магнитном полена электроны проводника действует сила Лоренца, препятствующая свободному перемещению зарядов. Внутри проводника возникает магнитное поле, вектор индукции которого направлен против внешнего магнитного поля. В состоянии сверхпроводимости внутреннее магнитное поля выталкивается на внешнюю поверхность в слой не более 1 нм (эффект В.Ф.Мейсснера (1882-1974) 1933 г. Это магнитное поле компенсирует действие внешнего магнитного поля, однако, при достаточно сильном внешнем магнитном поле сверхпроводящее состояние пропадает. К сверхпроводникам первого рода относят чистые хорошо проводящие металлы и для них критическое магнитное поле относительно слабое, поэтому их не используют в сверхпроводниках. Для сверхпроводников второго рода (обычно сплавы, например, Nb 3 Ge) эффект Мейсснера работает частично, а критическое магнитное поле значительно выше, чем для проводников первого рода. Теория сверхпроводимости, как пример применения квантовой механики к макроскопическим объектам, была разработана в 1957 г. Н.Н.Боголюбовым (1909-1992), Л.Купером (гр, НП), Дж.Бардиным (19008-1991, НП), Дж.Щриффером (1931-2019, НП) (теория БКШ) в основе которой взята теория сверхтекучести гелия, разработанной в Л.Ландау (1908-1968, НП0 в 1941 г. В 105 сверхпроводящем состоянии электроны внутри кристаллической решетки могут объединяться в куперовские пары, в которых их спины противоположно направлены (принцип Паули не работает для бозонов, а значит кулоновские силы отталкивания отсутствуют, точнее, компенсируются фононным возбуждением положительно заряженной решеткой. Система электронного газа из куперовских пар внутри положительно заряженной ионной решетки занимает основное энергетическое положение в валентной зоне. В этом случае система электронов движется самосогласовано, не испытывая сопротивления со стороны решетки, которая с помощью фононных возбуждений объединяет все электроны. Следует отметить, что расстояние меду электронами в куперовской паре около 10 -4 мкм, что значительно больше размера атома. В системе объединенных электронов всегда имеются свободные электроны, число которых будет увеличиваться по мере разрушения куперовских пар с ростом температуры решетки. В квантовомеханическом подходе энергия возбуждения система в сверхпроводящем состоянии отделена энергетической щелью от основного состояния и электроны основного состояния могут стать свободными приуменьшении ширины энергетической щели, то есть при повышении температуры кристалла. С практической точки зрения важно знать, как получить высокотемпературные сверхпроводники, то есть с температурой перехода выше температуры кипения жидкого азота К (-196 С. ВТС-проводники применяются во многих областях науки, техники, медицины. Желание иметь ВТС с высокой температурой перехода имеет не только экономическое значение. Чистый ниобий имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние Ка соединения на его основе Nb 3 Al, Nb 3 Se – 20K, Nb 3 Ge – 23,2K (1973). Керамики на основе ионов La-Ba-Cu-O открытые Дж.Беднорцем гр, НП) и К.А.Мюллером (гр, НП) имеют температуру перехода 106 Ка после замены Ва на Sr температура повысилась до Кг. Синтезированное соединение а учеными из Китая М.Ву и С.Чу имеет температуру перехода Капри частичной замене атомов кислорода на атомы фтора температура стала -КВ настоящее время известна максимальная температура перехода в сверхпроводящее состояние около к. Чаще всего массивные сверхпроводники используют в сверхпроводящих магнитах. Тонкопленочные сверхпроводники используют в быстродействующих интегральных схемах. 10. Люминесценция Зонная теория твердого тела применима к природному явлению люминесценция, то есть, свечение вещества при воздействии на него потоком квантов разной природы или механического, электрического и химического воздействия. Различают хемилюминесценция (некоторые химические реакции, триболюминесценция (раскалывание и растирание хрупких веществ, типа сахара, электролюминесценция (действие сильного электрического поля, катодолюминесценция (действие потока электронов, фотолюминесценция (действие квантов света, рентгенолюминесценция действие рентгеновских лучей, радиолюминесценция (действие ядерного излучения. Под люминесценцией понимают неравновесное световое излучение, несвязанное с температурным переходом в состояния атома, а также временем релаксации, превышающее время температурного возбуждения атома 10 -0 с. Хотя, люминесценция – это холодное свечение, но оно может происходить при любой температуре. Чтобы отличать люминесценцию от отражения, рассеивания, теплового излучения, излучения Вавилова-Черенкова (1904- 1990, НП) и тормозного излучения, С.И.Вавилов (1891-1951) ввел понятие длительности свечения. Люминесценция, связанная с воздействием света на кристалл, называется фотолюминесценцией. 107 В зависимости от вещества и вида воздействия различают фосфоресценцию длительное послесвечение) и флуоресценцию кратковременное послесвечение, отличающиеся временем послесвечения. Согласно Дж.Стоксу (1819-1903) длина волны люминесцентного излучения выше длины волны падающего излучения. В соответствии с законом С.И.Вавилова квантовый выход энергии в стоксовой области (закон Стокса) изменяется слабо, а в длинноволновой части спектра быстро снижается. Люминесцентные кристаллы, искусственно легированные ионами металлов, называют кристаллофосфорами. Согласно зонной теории у легированного кристалла в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости образуются энергетические уровни активатора. При возбуждении электроны с этих уровней могут переходить в зону проводимости, а после встречи с возбужденным атомом активатора релаксирует, при этом, высвечивается квант люминесцентного излучения, а электрон возвращается на свой начальный энергетический уровень вблизи потолка валентной зоны. Время возбужденного состояния флуоресцентного люминофора определяется временем перехода активатора в основное состояние, то есть, около 10 =9 с. Другими словами, свечения прекращается сразу после остановки воздействия на люминофор если в кристалле нет энергетических уровней вблизи дна зоны проводимости, то есть нет ловушек. В отличие от флуоресцентных люминофоров время свечения фосфоросцентных кристаллофосфоров после облучения может длиться от долей секунд до нескольких дней. Хотя люминофоры специально не активируют примесями, ноу них могу быть природные активаторы, создающие вблизи дна зоны проводимости энергетические уровни (центры захвата или ловушки) на которых могут располагаться электроны донорного активатора. При возбуждении электроны акцептора (чуть выше валентной зоны) переходят в зону проводимости и могут релаксировать с атомами активатора, создавая холодное люминесцентное свечение при обратном переходе на акцепторный уровень или могут быть захвачены ловушкой 108 донорного уровня, но без свечения. С другой стороны, под действием тепловых колебаний решетки кристаллофосфора электроны ловушек могут перейти в зону проводимости, где они могут релаксировать с атомом активатора, испуская свет люминесценции. Именно, наличие ловушек тормозит процесс мгновенного свечения люминофора, увеличивая его время свечения. Люминофоры нашли широкое применение в повседневной жизни и диагностике 1) люминесцентные лампы освещения 2) светящиеся дорожные знаки и циферблаты 3) сцинтилляторы в качестве детекторов ядерного излучения 4) активных оптических сред квантовых генераторов 5) электроннооптические преобразователи, например, в тепловизорах 6) люминесцирующие ткани и др. Особое значение имеют люминофоры в дефектоскопии и люминесцентгом анализе. Для обнаружения дефектов трещины, сколы и др) поверхности ответственных изделий на их поверхность наносят раствор люминофора, который проникает в трещины и поры. Облучая изделие ультрафиолетом хорошо видно люминесцентное свечение. Люминесцентный анализ используется в медицине, биологии, криминалистике, химических и физических опытах и др. для выявления химического состава вещества даже в микроскопических дозах 10 -10 г/см 3 В качестве примера использования наведенной рентгеновской импульсной люминесценции для применения в детекторах коротковременных световых событиях приведен открытый недавно П.А.Родным (1942 гр) остовно- валентный переход, названный по его имени. Под остовно-валентной люминесценцией (ОВЛ) понимают излучение в результате электронных переходов между остовной верхней и валентной нижней уровней (переход Родного, например, ионов бария и фтора в кристалле BaF 2 (работа П.А.Родного). Это излучение лежит в области ультрафиолета (0.196 и 0,220 мкм) и характеризуется наносекундной длительностью, что можно использовать в детекторах ядерно-физических 109 экспериментов. Кристалл BaF 2 имеет также широкую полосу люминесценции с максимумом 0,31 мкм и длительностью более 0,63 мкс, что заслоняет эффект ОВЛ. Снизить в несколько раз влияние длительной компоненты люминесцентного излучения можно, используя фотоумножители с фотокатодом типа теллур-цезий, или солнечно-слепые фотодиоды. Люминесцентные характеристики щелочно-галоидных кристаллов можно корректировать, путем введения в матрицу кристалла ионов редкоземельных металлов. Однако, введение трех- и двухвалентных примесей нарушает параметры решетки, что влияет на выходные характеристики сцинтилляторов на основе ЩГК. Для подавления широкополосной и длительной компоненты рентгеновской люминесценции, как оказалось, можно использовать тонкослойный полосовой интерференционный светофильтр, нанесенный прямо на кристалл. 11. Фотоэлектрические преобразователи Солнечные элементы (ячейки) из которых изготовляют солнечные батареи на практике используют явление внутреннего фотоэффекта в полупроводниках на основе свойства р-н переходов примесных кремниевых и германиевых полупроводников. Сравнительные характеристики этих полупроводников соответственно для Si и Ge: 1) относительная масса 28,09 и 72,59; 2) плотность 2,33 и 5,33 г/см 3 ; 3) диэлектрическая проницаемость 12 и 16: 4) плотность собственных носителей при комнатной температуре 1,5*10 10 и 2,6*10 13 см ; 5) ширина запрещенной зоны при К составлят 1.12 и 0,67 эВ 6) подвижность электронов при К 1350 и 3900 см В с. При облучении солнечной батареи, в лучшем случае, ультрафиолетом, то есть, энергией фотонов выше ширины запрещенной зоны, сообщают электронам валентной зоны дополнительную энергию и перебрасывает валентные электроны в зону проводимости, при этом, в валентной зоне образуются 110 вакансии (дырки. В области накапливаются электроны, а р-области накапливаются дырки, то есть, возникает разность потенциалов в переходной зоне, составляющей примерно 0,6 эВ для кремния. Если к переходной зоне подключить сопротивление нагрузки, то через него пойдет электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности солнечного излучения. На основе внутреннего фотоэффекта одного р перехода изготавливают фотометры и фоторезисторы, используемых в электротехнических устройствах. Если р переходы последовательно соединены между собой, то получим солнечную батарею, напрямую преобразующую световую энергию в электрическую. Фотоэлектрические характеристики полупроводниковых приборов напрямую связаны с объемными поверхностным свойством кристалла. Совершенство кристаллической решетки зависит от тщательности выполнения технологических операций по выращиванию монокристаллов большого объема. 12. Голография Метод голографии, как способ сохранения полной информации об объекте, предложил Д.Габор (1900-1979, НП), решая проблемы разрешения микроскопов. В г. Ю. Денисюк (1927-2006) (ГОИ им.С.И.Вавилова предложил использовать лазерное излучение для получения трехмерного изображения на фотобумаге с толстым слоем фотоэмульсии. Принцип голографии заключается в том, что объект освещается обычным светом и когерентной волной (объектная волна, а фотопластинка освещается когерентной (опорной волной) и объектной волной. Для опорной волны требуется одномодовый лазер с повышенной когерентностью. Лазерный луч расширяют и делят на две части с помощью зеркала. Одна часть направлена на объект и отраженный от него сигнал попадает на фотопластинку объектная волна, другая часть пучка направляется на фотопластинку опорная волна. 111 Рис. 12 Схема записи и воспроизведения голограммы Так как объектная и опорная волны когерентны между собой, тона фотопластинке происходит интерференционное сложение волн. После обычного проявления фотопластинки получаем голограмму, на которой изображены непересекающиеся криволинейные линии вроде топографических изоклин) различной интенсивности. При этом интерференционное изображение, непохожее на изображение обычного фотоснимка. Дело в том, что на обычном фотоснимке фиксируется только амплитудная составляющая отраженной волны от объекта, а на голограмме кодируется амлитудная и фазовая информация. В общем случае, для опорной волны голограмма представляет собой вариант дифракционной решетки, а поэтому восстанавливать информацию необходимо методами дифракции. Изображения восстанавливают с помощью того же лазера, а голограмму устанавливают в первоначальное положение. Часть, расширенного с помощью линзы, лазерного пучка закрывают диафрагмой (объект отсутствует, а другая часть направляется на голограмму. Дифракционное взаимодействие опорного луча и голограммы создает несколько волн. Разность хода когерентных лучей, для условий максимума, выражается формулой Δr = dSin 𝜑 = k , k = 0, -1, +1 . При k 1 дифракционные максимумы практически отсутствуют. В результате имеем три волны k = 0 - волна направлена вдоль опорной волны k = 1 – волна направлена по направлению предметной волны, k = -1 - этот максимум создает мнимое изображение, 112 которое воспринимается посредством оптической системы глаза наблюдателя. Цветная голограмма получается при использовании в качестве опорной волны сразу трехцветных лазеров (красный, синий, зеленый. Каждый лазер ведет себя независимо от других, поэтому на голограмме имеем три пространственные интерференционные записи. Сложение трехцветных мнимых изображений в единую объемную картинку осуществляет глаз и мозг человека. Относительная плотность интерференционных линий и их контраст создают эффект объемности изображения при смене угла просмотра голограммы. На голограмме каждый участок содержит всю информацию об объекте. Это значит, если голограмму разделить на части, то каждая ее часть будет воспроизводить изображение объекта, нос меньшим разрешением, чем целая голограмма. Помимо изобразительной голографии для многих приложений стала развиваться цифровая голография. Компьютерная обработка голограмм позволяет промоделировать весь процесс от начала формирования интерференционного изображения до момента его восстановления. Цифровая голография появилась благодаря разработанному математическому аппарату, который позволяет описывать волновое поле объектной и опорной волн при формировании голограммы и при ее восстановлении. Этапы получения цифровой голограммы включают ввод участка интерференционной картины в компьютер, вычисление фазовой и амплитудной спектральной информации отдельных участков голограммы с помощью интегральных преобразований, например, Фурье-Френеля, выполнение подготовительных операций ввода информации на компьютер, подача голограммы на печать в увеличенном или уменьшенном масштабе. Голография и ее методы используются в многочисленных приложениях получения художественных изображений, сьемки подвижных объектов, для чтения печатных текстов, обработки аэрофотоснимков, микроскопии, создании безлинзовой оптики, создание фильмов и др. 113 13. Лазерный нагрев Ни один источник излучения не дает таких плотностей мощности и энергии, как это реализовано в лазерах например, сфокусированный солнечный луч дает плотность мощности всего 1,3 кВт/м 2 . Электронный луч после фокусировки дает величину - 10 8 Вт/см 2 . Яркость, или светимость, лазерного луча в миллионы раз ярче солнечного света. Плотности мощности для непрерывных лазеров это - 10 10 Вт/см 2 , а для импульсных лазеров - 10 18 Вт/см 2 При этом, расходимость луча от прямолинейности составляет единицы миллирадиан, опять же, недостижимых в других видах излучения. В результате, лазерный луч может плавить, испарять, резать, сваривать, легировать, закалять и термоупрочнять инструменты, сверлить микроотверстия, производить подгонку параметров микроэлементов, стимулировать физико-химические процессы и реакции, разделять изотопы, наконец, участвовать в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза. Серьезным преимуществом метода лазерного напыления тонкопленочного покрытия является размещение источника энергии вне вакуумной камеры. В зависимости от поставленной задачи применяют режимы импульсного или непрерывного нагревания материалов. В настоящее время существует большая номенклатура типов лазерных систем. На практике чаще используются иттрий-алюминиевые (𝛌 = 1.06 мкм) и газовые СО – лазеры (𝛌 = 10,6 мкм) в импульсном и непрерывном режимах. Лазеры с короткими импульсами менее 10 нс и острой фокусировкой дают плотность мощности излучения на мишени более 10 10 Вт/см 2 Эксимерные газовые лазеры наиболее мощные в УФ диапазоне позволяют обрабатывать поверхности разной природы, испаряя верхний атомный и молекулярный слой в результате действия фотонного излучения и ударной волны, без глубинного нагревания материала. Длины волн эксимерных 114 лазеров на основе димеров инертных газов и их галогенов может быть от 157 нм до 351 нм. Частоты от 1 до 300 Гц. Средняя мощность современных эксимерных лазеров до 400 Вт и длительность импульсов от 1 до 70 нс. Уменьшение отражения металлов добиваются искусственной шероховатостью или путем окисления поверхности мишени. Температура поверхности материала, на которую сфокусирован луч лазера, определяется плотностью мощности в пятне луча, физической характеристикой излучения и материала. Любой материал обладает своими физико-химическими свойствами, а частности, коэффициентами отражения и поглощения для определенных длин волн света. Зная среднюю мощность излучения, нетрудно вычислить плотность мощности на мишени с учетом ее коэффициента отражения поверхности q = 𝑃ср 𝐴 𝑆 , Вт/см 2 , где А = 1 – R, коэффициент поглощения, а R - коэффициент отражения, S - площадь лазерного пятна. Оценить распределения температуры на поверхности мишени ив глубине можно с помощью задачи теплопроводности Фурье (1768 – 1830), которая решается в дифференциальных уравнениях, с учетом граничных и начальных условий конкретного случая. Решению тепловых задач посвящено много теоретических работ, например А.В.Лыков (1910-1974), Г.Карслоу (1870- 1954) и Д.Егер (1865 − 1938) и др. Применительно к лазерной тематике, задачи теплопроводности рассмотрены в работах В.П.Вейко (гр, Н.Н.Рыкалина (1903-1985) и многих др. В твердых телах тепловая энергия передается от более нагретых участков к менее нагретым участкам путем теплопроводности, в результате коллективного колебания атомов решетки неметаллов и свободных электронов в металлах. Колебания атомов решетки создают волновой фронт, перемещающийся в направлении уменьшения 115 температуры. Энергия колебаний отдельных атомов квантуется, как величина ℎ𝜈 . и эту энергию можно назвать фононом, аналогично светового фотона. Условно можно говорить о фононном газе, вроде как о обычном газе, нов виде температурного фронта, перемещающегося в направлении еще не прогретого слоя. Но тогда, коэффициент теплопроводности для твердого тела можно оценить по формуле, по которой вычисляют этот коэффициент для газов. Так как атомная система квантовая, то расчет коэффициента теплопроводности достаточно сложная задача, и решается методами квантовой теории. Для лучшего понимания темы лазерного нагревания твердых материалов, получим упрощенный вывод уравнения Фурье. Вначале следует сделать допущения, без которых задача теплопроводности становится слишком сложной. Пусть обрабатываемый материал однороден и неподвижен. Потерями на лучеиспускание можно пренебречь. Пространственно- временное состояние температурного поля в общем виде можно выразить функцией T = f(x, y, z, t). Само температурное поле может быть стационарными нестационарным. Установившееся поле от времени не зависит и тогда Т = 0. В случае одномерного поля T = f(x, t) и 𝜕𝑇 𝜕𝑦 = 𝜕𝑇 𝜕𝑧 = 0. Для двухмерного поля T = f(x, y, t) и 𝜕𝑇 𝜕𝑧 = 0. Внутри нагретого тела распределение температуры можно описать изотермическими поверхностями и изотермами. Изотермы нигде не пересекаются, иначе, водной точке окажется две разные температуры, и не обрываются внутри тела. Наибольшее изменение температуры происходит вдоль нормали к изотермическим поверхностям. В теории поля такому изменению физической величины присвоено название градиент того или иного поля. В нашем случае. градиент температуры является вектором, направленный по |