Видеть невидимое Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

В. М. Григорьев

О сколько нам открытий чудных Готовят просвещенья дух И опыт, сын ошибок трудных, И гений, парадоксов друг, И случай, бог изобретатель...

А.С. Пушкин

Викт ор Михайлович Григорьев,

физик (г. Якутск).

В XIX веке в физике господствовали механика Ньютона и волновая теория света Максвелла. Многим ученым тогда казалось, что здание физики уже построено, и явлений, необъяснимых в рамках этих теорий, не должно существовать. Однако к началу XX века в области физики накопился огромный объем экспериментальных данных, которые не могли быть истолкованы в рамках существующих воззрений. Наиболее наглядно такая ситуация проявилась в оптических исследованиях. Когда новая информация перестает укладываться в известные рамки, только неординарный подход к проблеме позволяет найти единственно верное ее решение, складывающее множество разрозненных, казалось бы, фактов в законченную картину. Именно акт творческого озарения и удовлетворение от успешно выполненной работы

делают жизнь ученого яркой и интересной. Творческое озарение является итогом долгих напряженных изысканий.

Гениальные физики начала XX в. своим вдохновенным трудом создали новую физику, определившую лицо современной цивилизации. Среди них выделяется творец общей теории относительности Альберт Эйнштейн. Однако в данной статье рассказ пойдет о другой его работе, разработка идеи которой привела к созданию приборов, расширивших кругозор человека от уровня микромира до расстояний, измеряемых миллиардами световых лет.

Народная пословица гласит -лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Действительно, зрение позволяет нам получать около 80% информации об окружающем мире. Для восприятия световых изображе-

На фото вверху - невидимая наземным телескопом сложная структура астрономического объекта «Свет ящиеся глаза». Это - вращающиеся ядра двух сталкивающихся галактик NGC 2207 и IC2163 в созвездии Большого пса, находящегося от нас на расстоянии 114 миллионов свет овых лет [http://www.outzone.ru/post/l735/].

ний объектов человек имеет уникальный орган - глаз. Но возможности его крайне ограничены. Поэтому человеку пришлось создавать технические аналоги зрения, в основе которых лежит замечательное явление - фотоэлектрический эффект (фотоэффект) - испускание веществом электронов под действием света.

Фотоэффект был открыт в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке между двумя электродами возникает легче, если вблизи происходит другой искровой разряд. Герц экспериментально показал связь этого явления с ультрафиолетовым излучением второго разряда.

В 1889 г Дж. Томсон и Ф. Ленард установили, что поверхность металла при ее освещении испускает электроны. В период с 1888 по 1890 гг. различные стороны фотоэффекта изучал А.Г. Столетов. В результате тщательных измерений было установлено, что число электронов, вылетающих в единицу времени с поверхности металла, пропорционально интенсивности света, тогда как их энергия зависит лишь от длины световой волны, т.е. цвета. Оказалось также, что для каждого металла существует максимальная длина волны, являющаяся пределом, превышение которого вызывает прекращение фотоэффекта (красная граница фотоэффекта). Оба эти факта противоречили выводам волновой теории Максвелла о механизме испускания и поглощения света, согласно которой интенсивность света служит мерой его энергии и, конечно, должна влиять на энергию испускаемых электронов, а красная граница не должна существовать.

Более десяти лет явление фотоэффекта оставалось загадочным, пока на него не обратил внимания А. Эйнштейн. С 1902 г. он работал техническим экспертом патентного бюро в Берне (Швейцария) и по долгу службы знал об основных изобретениях и открытиях, сделанных в Европе. Молодой клерк с творческим складом ума заинтересовался фотоэффектом. Когда Эйнштейн приступил к разработке теории этого явления, он уже был знаком с работой М. Планка (1900 г.), в которой для объяснения результатов исследований тепловых явлений автору пришлось выдвинуть гипотезу о прерывистом характере поглощения и испускания энергии в процессах теплового излучения. Это утверждение Планка находилось в резком противоречии с признанной всеми волновой теорией света. Разрешить эту коллизию ему удалось путем мучительного отказа от своих устоявшихся взглядов. Эйнштейн распространил гипотезу Планка на световое излучение: поведение света в определенном отношении сходно с поведением облака частиц, энергия каждой из которых пропорциональна частоте света. Позднее эти частицы были названы фотонами (фотонная теория света). Энергия фотона (квант энергии, согласно Планку и Эйнштейну) описывается формулой:

Ерь = ¡V,

где Л - универсальная постоянная, впервые введенная Планком и названная его именем;

V- частота света.

В основе теории Эйнштейна лежат понятие о работе выхода электронов из металла и представление о квантовой структуре света. По Эйнштейну, фотоэффект имеет следующее объяснение. При столкновении фотона со свободным электроном проводимости в металле

Альберт Эйншт ейн (1879-1955).

энергия фотона Ер„ полностью переходит в кинетическую энергию электрона Ек , и при определенных условиях он покидает его поверхность. При этом энергия электрона уменьшается на величину, которую называют работой выхода (Авы„). Максимальная кинетическая энергия электрона после вылета (если нет других потерь) описывается уравнениями:

ЕГ = Ерл - или тв ■ V2таД = ¡ V -Ава<,

где т - масса электрона; ^ - максимальная скорость электрона.

Последнее выражение названо уравнением Эйнштейна. Если минимальная частота vm¡„ <Авы^Л, электрон не имеет достаточной энергии для вылета с поверхности металла. Это и определяет красную границу фотоэффекта.

Эйнштейновская теория фотоэффекта описывает другие свойства света в дополнение к общеизвестным (дифракция, интерференция, поляризация). Поставлено немало экспериментов, показывающих согласие этой теории с опытом. Свои идеи Эйнштейн изложил в статье под заглавием «Об одной эвристической т очке зрения на возникновение и превращение свет а», опубликованной в журнале «Анналы физики» в 1905 г.

Своей мировой славой Эйнштейн обязан работам по общей теории относительности. Однако Нобелевской премии он был удостоен (1921 г.) за объяснение фотоэффекта: «Премия присуждает ся Эйнштейну за открытие закона фотоэлект рического эффект а и за его работы в области теоретической физики». В связи с этим решением комитета известный физик Ф. Ленард (недруг Эйнштейна из-за своих антисемитских взглядов)

на правах лауреата Нобелевской премии сразу же направил в Шведскую академию наук резкий протест, в котором утверждал, что работа по фотоэффекту слишком незначительна для присуждения столь высокой награды.

Как же не прав был Ленард и сколь проницательным оказался нобелевский комитет! Прошло совсем немного времени, и на основе фотоэффекта были разработаны приборы, получившие определение фотоэлектронных.

В первой половине XX в. были созданы самые разнообразные вакуумные фотоэлектронные устройства. Они нашли широкое применение в науке, технике и в быту. Такие приборы преобразуют энергию электромагнитного излучения оптического диапазона в электрическую (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и др.), изображение в невидимых (инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских) лучах в видимое - электронно-оптические преобразователи (например, приборы ночного видения) и телевизионные передающие трубки.

Фактически первый вакуумный фотоэлектронный прибор, впоследствии получивший название «фотоэлемент», был сконструирован еще в 1888 г. А.Г. Столетовым для исследования свойств фотоэффекта. Прибор представлял собой стеклянный баллон с кварцевым окном для пропускания ультрафиолетовых лучей. Внутри баллона помещались два электрода, один из которых был чувствителен к свету (фотокатод). Газ из баллона откачивался, а к электродам прикладывалось напряжение, ускоряющее электроны в направлении анода. При освещении фотокатода через фотоэлемент протекал элект-рический ток.

Современные фотоэлементы отличаются от первенца лишь конструкцией электродов и их структурой. Фотоэлементы нашли широкое применение в технике. Их используют в приборах для измерения освещенности (например, для управления уличным освещением), уравнивания цветов в телевидении и согласования красок в полиграфии, для подсчета изделий на производстве, считывания звуковой дорожки при демонстрации кинофильмов и т.д.

Регистрировать излучение очень малой интенсивности, вплоть до отдельных квантов, позволяет фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Конструктивно ФЭУ отличается от фотоэлемента наличием нескольких дополнительных электродов (динодов), размещенных между анодом и фотокатодом. Все электроды соединены между собой резисторами. Фотокатод и анод подключаются к высоковольтному источнику питания для создания ускоряющего потенциала в направлении анода. Действие ФЭУ основано на использовании эффекта вторичной электронной эмиссии - вылета нескольких вторичных электронов при соударении одного высокоэнергичного электрона с поверхностью динода. Прибор работает следующим образом. Электроны, испускаемые фотокатодом при попадании на него света, притягиваются электрическим полем первого динода (ближайшего к фотокатоду), потенциал которого несколько выше потенциала катода. Вторичные электроны ускоряются в направлении второго динода, который имеет более высо-

кий потенциал, чем первый. В результате соударения образуется еще большее число вторичных электронов. После нескольких таких ступеней каскадного «размножения» электронов процесс переходит, наконец, на анод, собирающий электроны. Эти электроны создают намного больший ток по сравнению с током фотокатода. Коэффициент усиления может достигать нескольких миллионов.

Таким образом, ФЭУ является преобразователем слабого потока света в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности падающего света. Подбором материала фотокатода можно регистрировать излучение в разных областях спектра электромагнитных волн.

Самое широкое применение фЭу нашли в экспериментальной ядерной физике. Они применяются в разнообразных детекторах, измеряющих интенсивность вспышек света, которые возникают при взаимодействии различных элементарных частиц с рабочим телом детекторов. При достижении энергий в 1о9 эВ были зарегистрированы акты рождения и распада более двух сотен нестабильных частиц.

Существование такого обилия элементарных частиц вначале обескуражило ученых. Постепенно ситуация прояснилась, и сейчас мы знаем, что эти нестабильные частицы во многом определяют строение нашего «обычного» мира. Успехи физиков в исследовании микромира обусловлены достижениями в области создания ускорителей, способных разогнать заряженные частицы до максимально высоких энергий и столкнуть их с другими частицами. Задача ученых - проследить за всеми частицами, рожденными в этом процессе, т.е. подсчитать их число и определить основные параметры каждой вторичной частицы - массу, энергию, заряд, время жизни, траекторию и т.д. (многие из этих параметров измеряются детекторами, созданными на базе фотоумножителей), а затем подобрать теоретическую модель взаимодействия, удовлетворительно описывающую наблюдаемую картину. Ускоритель, словно микроскоп, позволяет увидеть чрезвычайно мелкие детали строения вещества. Чем выше энергия налетающей частицы, тем более тонкая структура материи становится доступной для наблюдения.

Высокая надежность, широкий диапазон линейного усиления и возможность автоматической регулировки коэффициента усиления ФЭУ позволили создать детекторы, работающие непрерывно в течение многих лет. Это особенно актуально для экспериментальных установок, которые содержат от нескольких сотен до тысяч ФЭУ Такие установки работают в режиме постоянного наблюдения, например, эксперименты по регистрации чрезвычайно слабо взаимодействующей частицы нейтрино и очень редких «посланцев» Вселенной - космических лучей сверхвысоких энергий.

Если ФЭУ преобразует поток света в электрический сигнал, то электронно-оптический преобразователь (ЭОП) служит для трансформации изображения объекта в невидимых лучах в видимое изображение либо для усиления яркости видимого изображения. ЭОП состоит из вакуумной колбы, на одном конце которой имеется светочувствительный слой (фотокатод), а на другом -экран с люминесцирующим покрытием и фокусирующие системы. Электрон, выбитый светом из фотокатода, ускоряется и фокусируется электрическим полем так, что он попадает на строго определенное место экрана, который светится под его воздействием, т.е. происходит параллельный перенос с фотокатода на экран усиленного по яркости изображения. ЭОП применяется при оптических и микроскопических исследованиях, в приборах ночного видения, а специально разработанные высококачественные приборы этого типа эффективно используются в астрономии и т. д.

Созданиетелевизионных приборов, способных принимать и передавать изображение на любые расстояния, позволило осуществить давнюю мечту человечества о «дальновидении», которое в сказках осуществлялось при помощи волшебного зеркальца. Передающая телевизионная трубка - это электроннолучевой прибор, основными элементами которого являются мишень и электронный прожектор, предназначенный для формирования узкого электронного пучка. Мишень состоит из сигнальной пластины и фотопрово-дящего слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность передней стенки баллона передающей трубки. Особенность фотослоя мишени заключается в том, что его электропроводность изменяется под действием падающего света. Благодаря этому на мишени создается и хранится потенциальный рельеф, соответствующий входному оптическому изображению. Электрический сигнал, который возникает при сканировании мишени электронным лучом прожектора, снимается с сигнальной пластины. После соответствующих преобразований эти сигналы через системы связи переда-

ются на большое расстояние и поступают на вход кинескопов, где сигнал трансформируется в видимое изображение. Современные телевизионные приборы работают не только в видимом диапазоне спектра, но и в невидимом - ультрафиолетовых или инфракрасных лучах, а также в области рентгеновского излучения. Важной функциональной особенностью телевизионных приборов является возможность передачи изображения из среды, в которой без специальных мер защиты не может работать человек, например, в воде на больших глубинах, в космосе, в местах радиоактивного, химического и биологического заражения.

Однако при всех достоинствах вакуумные фотоэлектронные приборы обладают рядом существенных недостатков - значительные габариты и вес, большое энергопотребление, механическая непрочность. Эти недостатки отсутствуют у полупроводниковых приборов.

Эра бурного развития полупроводниковой техники началась в 1948 г. с создания первого в мире германиевого транзистора. Однако материалом современного полупроводникового производства является кремний. Как и германий, это - полупроводник. Сопротивление такого вещества в тысячи раз меньше, чем у изоляторов, но во столько же раз больше, чем у металлов. Полупроводник может обладать электронной или так называемой дырочной проводимостью в зависимости от внедрения в его кристаллическую решетку различных элементов, создающих избыток или дефицит электронов связи.

Космический т елескоп «Хаббл» [http://www.outzone.ru/post/1735/].

Солнечная батарея.

Область контакта пластин разной проводимости образует переходной слой, удивительные свойства которого легли в основу создания диодов и транзисторов, нашедших широкое применение в радиоприемниках и телевизорах, счетно-решающих устройствах и в разнообразной измерительной аппаратуре.

Создание нового поколения полупроводниковых приборов - интегральных микросхем - было связано с разработкой принципиально новых технологических процессов и измерительных установок. Прогресс в развитии микропроцессоров способствовал появлению мощных и сравнительно дешевых персональных компьютеров (ПК) и периферийной аппаратуры для них. Широкое распространение ПК и создание Интернета обусловили переход человечества в эпоху информатики.

Еще одно важное свойство полупроводников связано с явлением внутреннего фотоэффекта - появлением электрона проводимости и дырки в результате вырывания фотоном электрона из валентной оболочки атома кристаллической решетки. Это свойство позволило создать уникальные светочувствительные приборы -фотоприемные матрицы и солнечные батареи. Преобразовывать световую энергию в электрическую позволяет фото-эдс, возникающая между полупроводниковыми пластинами различной проводимости при освещении солнечным светом области их контакта. Солнечные батареи, созданные на основе этого явления, нашли применение в технике и быту. На солнечных батареях зиждется энергетика космических кораблей.

В 2006 г. специалисты научного центра прикладных исследований Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне представили новую разработку -«звездную» батарею. В основе ее устройства лежит гете-роэлектрик - новое вещество, созданное на основе нано-технологий. Гетероэлектрик «загоняет» состоящий из волн разной длины солнечный свет на одну частоту, повышая тем самым эффективность батареи. Этот источник питания состоит из двух основных элементов: гетеро-электрического фотоэлемента, преобразующего видимый и инфракрасный свет в электричество; гетероэлект-рического конденсатора, накапливающего энергию. Ток такого фотоэлемента вчетверо выше, чем солнечных батарей. Подобный прибор обладает уникальной спо-

собностью работать не только днем, но и ночью, используя световой поток звезд. Поэтому его и назвали «звездной» батареей [1].

Для получения изображений на смену фотопленке пришла фотоприемная (светочувствительная) матрица - специализированная аналоговая или цифроаналоговая

^ интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов - фотодиодов. В настоящее время наибольшее распространение получили матрицы, выпол---Л ненные по технологии CCD (Charge Coupled Device - прибор с зарядовой связью -ПЗС-матрица)[2]. Принцип ее действия основан на том, что во время экспозиции в светочувствительных элементах (пикселях) пропорционально интенсивности падающего света накапливается заряд, величина которого в последующем самосчиты-вается со всех элементов матрицы по управляющему сигналу. ПЗС-матрица является основным элементом телевизионных передающих трубок, профессиональных и бытовых цифровых фотоаппаратов и видеокамер. Ими оснащаются даже мобильные телефоны. Микроскопия в медицине и биологии, компьютерное зрение и проведение видеоконференций, системы ориентации космических аппаратов и считыватели штрих-кода, телефакс и сканер - все это стало возможным и доступным благодаря ПЗС. Сравнительно недавно приборы с числом элементов 256 х 256 казались экзотикой, а ныне матрицы с плотностью размещения 4096 х 4096 становятся обыденными.

Применение ПЗС в астрономии по значимости сравнимо разве что с использованием вместо человеческого

«Звездная» батарея [theraserdomin.typepad.com].

Цифровые камера и фот оаппарат .

глаза фотопластинок в качестве средства регистрации. Именно астрономия стала первой отраслью научной и практической деятельности, где фотоэмульсия уступила место кремнию. Благодаря оптическим системам космического базирования у астрономии появилась возможность регистрировать излучения широкого диапазона -от инфракрасного до рентгеновского. Одним из важных этапов развития внеземной астрономии является создание космического телескопа «Хаббл» с зеркалом диаметром 2,4 м, который функционирует на околоземной орбите с 1990 г. на высоте около 600 км. Диапазон чувствительности аппаратов телескопа - от 115 нм (жесткий ультрафиолет) до 10 000 нм (инфракрасная

область) - много шире, чем телескопов, установленных на Земле. Регистраторами светового потока от всех приборов этой космической обсерватории являются пЗС-матрицы разного размера и разрешения. «Лабблом» получены спектры большого количества астрономических объектов, измерена интенсивность света очень слабых источников (до звезд 30-й величины), сделаны почти все потрясающие «пейзажные» снимки (см. фото на стр. 64).

В настоящее время в ЦЕРНе завершен монтаж гигантского ускорителя на встречных пучках - большого адронного коллайдера, расположенного на границе Швейцарии и Франции. Этот ускоритель позволит достичь самых высоких из когда-либо исследованных энергий - 1 тераэлектроновольт (1 ТэВ = 1012 эВ = 1,6 • 10-7 Дж), проникнуть в физику материи на самых малых расстояниях (вплоть до нанонанометра, или 10-18 м).

Таким образом, благодаря явлению фотоэффекта человечество сумело заглянуть в удаленные уголки мироздания и разглядеть чрезвычайно тонкую структуру материи. Однако и это - не границы мира. Их нет, как нет пределов человеческому познанию. Есть границы того, что мы уже узнали, и нет пределов тому, что предстоит узнать.

Лит ерат ура

1. Ьйр-.//1:ошт.1хЫсотЛор1с.сд1?1с1=64:790

2. http://www.pubiish.ru/pubiish/2001/03/4043133/

Попова А.С. и др. Антиоксидантные системы защиты организмов и биотехнологические пути коррекции их нарушений в условиях Севера / А.С. Попова, Г.Е. Миронова, С.С. Кузьмина, В.А. Аргунов; [отв. ред. д-р биол. наук, проф. А.Н. Журавская]. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2008. -128 с.

Монография посвящена актуальным задачам профилактической экологической медицины в условиях Севера, проблемам экологической обусловленности получения богатого биологически активными веществами растительного сырья для местного фармпроизводства. В ней обсуждаются экспериментальные данные, связанные с влиянием различных факторов на антиоксидантную систему защиты организмов и протективным влиянием экстрактов растений Якутии на антиоксидантную защиту организмов при воздействии температурного иммобилизационного и эмоционального стрессирующих факторов и некоторых заболеваний. Приводится количественная характеристика обеспеченности витаминами-антиоксидантами организма жителей Якутии, их суточной диеты витамином С и микроэлементом йод.

Книга представляет интерес для биологов, биохимиков, экологов, гигиенистов, терапевтов и других специалистов, работающих в области охраны здоровья человека.