От лат evaporo испаряю и греч grapho пишу), метод получения изображений объектов в их собственном (обычно ик) тепловом излучении. Предложен нем
Вид материала | Документы |
- Реферат по русскому языку на тему: «Типы словарей», 284.65kb.
- Метод распознавания изображений гистологических препаратов в задачах медицинской диагностики, 31.25kb.
- Конспект лекций для 16-и часового курса начертальная геометрия издание 2-ое, 578.52kb.
- Обработка и передача изображений, 243.48kb.
- Социоло́гия (от лат socius общественный; др греч. λόγος мысль, причина) наука о закономерностях, 85.75kb.
- Isbn 5-7262-0634 нейроинформатика 2006, 165.42kb.
- М. В. Лычагин Зав кафедрой д э. н., профессор, 986.65kb.
- Предложен метод неразрушающего акустического контроля многофазных макрооднородных композитных, 14.58kb.
- От греч autos -сам, bios жизнь, grapho пишу, лит прозаический жанр; как правило, последовательное, 2051.5kb.
- М. В. Корытова научный руководитель Р. Т. Файзуллин, д т. н., профессор Омский государственный, 26.14kb.
• Electron microscopy, 1978. Papers press 9-th international congress on electron microscopy held in Toronto, v. 1—3, Toronto, 1978; Стоянов П. А. [и др.], Электронный микроскоп предельного разрешения ЭМВ-100Л, «Изв. АН СССР. Сер. физ.», 1970, т. 34, № 7; Xокс П., Электронная оптика и электронная микроскопия, пер. с англ., М., 1974; Деркач В. П., Кияшко Г. Ф., Кухарчук М. С., Электроннозондовые устройства, К., 1974; Стоянова И. Г., Анаскин И. Ф., Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии, М., 1972; Практическая растровая электронная микроскопия, под ред. Д. Гоулдстейна и X. Яковица, пер. с англ., М., 1978.
П. А. Стоянов.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЭПР), резонансное поглощение эл.-магн. энергии в-вами, содержащими парамагн. ч-цы. ЭПР — один из методов радиоспектроскопии, наблюдается обычно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн (30—2 мм) и явл. частным случаем магнитного резонанса. ЭПР открыл Е. К. Завойский в 1944. Объектами наблюдения являются: а) атомы и молекулы с нечётным числом эл-нов (напр., атомы азота, водорода, молекулы NO); б) свободные радикалы хим. соединений с неспаренными эл-нами (напр., СН3); в) ионы с частично заполненными внутр. оболочками (напр., ионы переходных элементов); г) центры окраски в кристаллах; д) электроны проводимости в металлах и полупроводниках. В постоянном магн. поле Н уровни энергии парамагн. ч-цы, напр. атома со спином 5 и магн. моментом , за счёт пространств. квантования расщепляются на 2S+1 магн. подуровня, различающихся по энергии на величину ξ = 2H (см. Зеемана эффект; рис. 1).
Рис. 1. Пространственное квантование спинов S в магн. поле H и расщепление энергетич. уровней: а — свободного электрона; б — парамагн. ч-ц с неск. электронами со спином S=1; в — со спином S= 5/2.
В простейшем случае свободного эл-на (рис. 1, a) S = 1/2, магн. момент =gSMS, где gS=2,0023 (g-фактор свободного эл-на), — магнетон Бора, MS=±1/2 (магн. квантовое число). В поле H энергия ξ эл-на может принимать два значения: ξ1=-1/2gSH и
1
ξ2=+1/2gSH. Переходы между магн. подуровнями возможны, когда квант эл.-магн. энергии ћ ( — частота) равен разности энергии ξ между ними:
889
ћ =ξ=gSH. (1)
Переход эл-на с одного подуровня на другой происходит с одновременным изменением направления спина: MS=±1. При переходе с нижнего уровня на верхний энергия поглощается, а при обратном переходе излучается (рис. 2). Вероятность этих процессов одинакова, но т. к. в условиях термодинамич. равновесия, согласно Больцмана распределению, населённость нижнего уровня N1 больше, чем верхнего N2, то энергия поглощается.
Рис. 2.При ћ=ξ происходит поглощение энергии переменного электромагн. поля.
Если к.-л. образом создать инверсию населённостей N2> N1, то под действием эл.-магн. поля система будет излучать энергию. Этот принцип положен в основу работы квантовых генераторов (см. Квантовая электроника).
Для ч-ц, содержащих неск. эл-нов, S может принимать любое кратное 1/2 значение (рис. 1, б, в), а энергия уровней ξ=gMSH, где MS может иметь (2S+1) значений: S, S-1,. . ., -(S-1),-S. Величина g-фактора определяется суммарным значением спинового и орбитального моментов количества движения электрона и может в неск. раз отличаться от gS. Между уровнями, отличающимися по MS на величину MS=±1, возможны магн. дипольные переходы, и условие резонанса будет по-прежнему описываться формулой (1).
Вз-ствие эл-нов с электрич. внутрикристаллическим полем приводит для S1 к расщеплению уровней
Рис. 3. а — тонкая структура спектра ЭПР; б — сверхтонкая структура спектра ЭПР.
энергии с разными значениями │МS│ и без поля (при H=Q). В результате этого в спектре ЭПР появляется неск. линий поглощения (тонкая структура; рис. 3, а). Вз-ствие эл-нов с магн. моментом ядра парамагн. атома при-
водит к появлению в спектре ЭПР сверхтонкой структуры. Если спин ядра I, то количество сверхтонких компонент равно 2I+1, что соответствует условию перехода МI=0 (MI — ядерное магн. квант. число; рис. 3, б). Вз-ствие эл-нов парамагн. ч-цы с магн. моментами ядер окружающих ионов также расщепляет линию ЭПР (суперсверхтонкая структура). Изучение сверхтонкой и суперсверхтонкой структур даёт возможность определить место нахождения неспаренных эл-нов.
Ширина линии. Релаксац. процессы, восстанавливающие равновесие в системе электронных спинов, нарушенное в результате поглощения эл.-магн. энергии, характеризуются временами релаксации Т1 и T2. Ширина линии ЭПР связана с ними соотношением:
=1/T1+1/T2 (2)
Время T2, наз. временем спин-спиновой релаксации, характеризует скорость восстановления равновесия в спиновой системе и от темп-ры практически не зависит. Время спин-решёточной релаксации Т1 характеризует скорость восстановления равновесия между спиновой системой и решёткой; T1 определяется вз-ствием магн. моментов ч-ц с колебаниями кристаллической решётки. Т. к. при понижении темп-ры амплитуда тепловых колебаний уменьшается, то при этом также уменьшается и спин-решёточное вз-ствие. Для ионов переходных металлов с большим вкладом орбитального момента, определяющего величину спин-решёточного вз-ствия, линию ЭПР удаётся наблюдать только при низких темп-рах. В сильных переменных эл.-магн. полях (10-3—1 Вт) релаксац. процессы не в состоянии восстановить равновесное распределение, и населённость уровней выравнивается (насыщение). Наблюдающееся при этом уменьшение поглощения используется для измерения времён парамагн. релаксации.
Экспериментальные методы. Для измерения ЭПР используют радиоспектрометры (спектрометры ЭПР), в к-рых при постоянной частоте и медленном изменении магн. поля Н регистрируется изменение поглощаемой в образце мощности (рис. 4). В ЭПР прямого усиления высокочастотные колебания от клистрона по волноводному тракту подаются в объёмный резонатор (размером ~), помещённый между полюсами электромагнита. Прошедшие через резонатор или отражённые от него эл.-магн. волны попадают на детектор. Изменение поглощаемой в образце мощности регистрируется по изменению тока детектора. Для повышения чувствительности поле Я модулируют с частотой ~30 Гц—1 МГц (см. Модуляция колебаний). При наличии в образце поглощения ток детектора также оказывается промодулированным, что позволяет использовать для усиления сигнала узкополосные усилители и наблюдать сигнал на экране осциллографа. В супергетеродинных спектрометрах ЭПР на детектор подаётся мощность от дополнит. клистрона (др. частоты). В этом случае сигнал с детектора усиливается на разностной частоте основного и дополнит. клистронов.
Рис. 4. Схема спектрометра ЭПР.
Наиболее хорошо изучены спектры ЭПР ионов переходных металлов. Для того чтобы устранить уширение линии, обусловленное дипольным вз-ствием с соседними парамагн. ионами, измерения проводят на монокристаллах, являющихся диамагн. диэлектриками, куда в качестве примесей (0,001%—0,1%) вводят парамагн. ионы. Симметрия внутрикрист. поля определяет симметрию g-фактора и констант тонкого и сверхтонкого вз-ствия, а его напряжённость — их величину.
Применение. По спектрам ЭПР можно определить валентность парамагн. иона, симметрию его окружения, что в сочетании с данными рентгеновского структурного анализа даёт возможность определить положение парамагн. иона в крист. решётке. Знание энергетич. уровней парамагн. иона позволяет сравнивать результаты ЭПР с данными оптич. спектров и вычислять магн. восприимчивости парамагнетиков.
Метод ЭПР позволяет определять природу и локализацию дефектов решётки, напр. центров окраски. В металлах и полупроводниках возможен также ЭПР, связанный с изменением ориентации спинов эл-нов проводимости. Метод ЭПР широко применяется в химии и Оиологии, где в процессе хим. реакций или под действием ионизирующего излучения могут образовываться молекулы с незаполненной хим. связью — свободные радикалы. Их g-фактор обычно близок к gS, а ширина линии ЭПР мала. Из-за этих качеств один из наиболее устойчивых свободных радикалов (-дифенил--пикрилгидразил), у к-рого g=2,0036, используется как стандарт при измерениях ЭПР. В биологии методом ЭПР изучаются ферменты, свободные радикалы в биол. системах и металлоорганич. соединениях.
890
• Альтшулер С. А., Козырев Б. М., Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп, 2 изд., М., 1972; А б р а г а м А., Б л и н и Б., Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов, пер. с англ., т. 1—2, М., 1972—73; П е й к Д. Э., Парамагнитный резонанс, пер. с англ., М., 1965; Эткинс П., Саймонс М., Спектры ЭПР и строение неорганических радикалов, пер. с англ., М., 1970; Ингрэм Д., Электронный парамагнитный резонанс в биологии, пер. с англ., М., 1972; Людвиг Дж., В у д б е р и Г., Электронный спиновый резонанс в полупроводниках, пер. с англ., М., 1964.
В. Ф. Мещеряков.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС акустический, см. Акустический парамагнитный резонанс.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЕКТОР, автоэлектронный микроскоп, безлинзовый электронно-оптич. прибор для получения увеличенного в 105—106 раз изображения поверхности тв. тела. Э. п. был изобретён в 1936 нем. физиком Э. Мюллером. Осн. части Э. п.: катод в виде проволочки с точечным эмиттером на конце, радиус кривизны к-рого r~10-7—10-8 м; стеклянная сферич. или конусообразная колба, дно к-рой покрыто слоем люминофора; анод в виде проводящего слоя на стенках колбы или проволочного кольца, окружающего катод. Из колбы откачивается воздух (остаточное давление ~10-9—10-11 мм рт. ст.). Когда на анод подают положит. напряжение в неск. тыс. В относительно расположенного в центре колбы катода, напряжённость электрич. поля в непосредств. близости от точечного эмиттера (острия) достигает 107—108 В/см. Это обеспечивает интенсивную автоэлектронную эмиссию. При обычной форме катода эл-ны эмитировались преим. с мест локального увеличения напряжённости поля над небольшими неровностями и выступами поверхности эмиттера. Применение точечных эмиттеров, сглаженных поверхностной миграцией атомов металла при повышенных темп-рах в хорошем вакууме, позволило получить устойчивые токи.
Эмитированные эл-ны, ускоряясь в радиальных (относительно острия) направлениях, бомбардируют экран, вызывая свечение люминофора, и создают на экране увеличенное контрастное изображение поверхности катода, отражающее её крист. структуру (рис. 2, а к ст. Ионный проектор). Контраст автоэлектронного изображения определяется плотностью эмиссионного тока, к-рая зависит от локальной работы выхода, изменяющейся в зависимости от кристаллографич. строения поверхности эмиттера и от величины поля у поверхности эмиттера. Увеличение в Э. п. равно отношению R/r, где R — расстояние катод — экран, — константа, зависящая от геометрии трубки. Разрешающую способность Э. п. ограничивают наличие тангенциальных составляющих скоростей автоэлектронов у кончика острия и (в меньшей степени) явление дифракции эл-нов. Предел разрешения Э. п. составляет
(2—3) •10-7 см, т. е. он не способен разрешать детали на атомарном уровне.
Э. п. применяются для изучения автоэлектронной эмиссии металлов и полупроводников, для определения работы выхода с разных граней монокристалла и пр. Для наблюдения фазовых превращений, изучения адсорбции атомов разл. в-в на металлич. или полупроводниковой поверхности и т. д. Э. п. используют весьма ограниченно, т. к. намного большие возможности в этих отношениях даёт применение ионного проектора.
ЭЛЕКТРОНОГРАФ, прибор для исследования ат. строения тв. тел и газовых молекул методами электронографии. Э.— вакуумный прибор, схема той его части, где формируется электронный пучок, близка к схеме электронного микроскопа. В колонне, осн. узле Э., эл-ны, испускаемые раскалённой вольфрамовой нитью, разгоняются высоким напряжением (от 30 кВ и выше — быстрые эл-ны и до 1 кВ — медленные эл-ны). С помощью диафрагм и магн. линз формируется узкий электронный пучок, направляемый на исследуемый образец, находящийся в спец. камере объектов и установленный на спец. столике. Рассеянные эл-ны попадают в фотокамеру, и на фотопластинке (или экране) создаётся дифракц. изображение (электронограмма). Зависимость интенсивности рассеянных эл-нов от угла рассеяния может измеряться с помощью электронных приборов. Э. снабжают разл. устройствами для нагревания, охлаждения, испарения образца, его деформации и т. д.
Э. включает также систему вакуумирования и блок электропитания, содержащий источники накала катода, высокого напряжения, питания эл.-магн. линз и разл. устройств камеры объектов. Питающее устройство обеспечивает изменение ускоряющего потенциала по ступеням (напр., в Э. «ЭР-100» 4 ступени: 25, 50, 75 и 100 кВ). Разрешающая способность Э. составляет тысячные доли А и зависит от энергии эл-нов, сечения электронного пучка и расстояния от образца до экрана, к-рое в совр. Э. может изменяться в пределах 200— 600 мм. Управление совр. Э., как правило, автоматизировано.
Р. М. Имамов.
ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ, метод изучения структуры в-ва, основанный на исследовании рассеяния образцом ускоренных эл-нов. Применяется для изучения ат. структуры кристаллов, аморфных тел и жидкостей, молекул газов и паров. Физ. основа Э.— дифракция эл-нов (см. Дифракция микрочастиц); при прохождении через в-во эл-ны, обладающие волновыми св-вами (см. Корпускулярно-волновой дуализм), взаимодействуют с атомами, в результате чего образуются дифрагированные пучки, интенсивность и расположение к-рых связаны с ат.
структурой образца и др. структурными параметрами. Рассеяние эл-нов определяется электростатич. потенциалом атомов, максимумы к-рого отвечают положениям ат. ядер.
В электронографах и электронных микроскопах формируется узкий светосильный пучок ускоренных эл-нов. Он направляется на объект и рассеивается им, дифракционная картина (электронограмма) либо фотографируется, либо регистрируется электронным устройством. Осн. вариантами метода явл. дифракция быстрых эл-нов (ускоряющее напряжение от 30—50 кВ и более) и дифракция медленных эл-нов (от неск. В до немногих сотен В).
Э. наряду с рентгеновским структурным анализом и нейтронографией принадлежит к дифракц. методам структурного анализа. Сильное вз-ствие эл-нов с в-вом ограничивает толщину просвечиваемых образцов десятыми долями мкм (при напряжении 1000—2000 кВ макс. допустимая толщина неск. мкм). Поэтому методами Э. изучают ат. структуру мелкокрист. в-в и монокристаллов значительно меньших размеров, чем в рентгенографии и нейтронографии.
Вид электронограмм при дифракции быстрых эл-нов зависит от хар-ра исследуемых объектов. Электронограммы от плёнок, состоящих из кристалликов, обладающих взаимной ориентацией, или тонких монокрист.
Рис. 1. Электронограмма, полученная от текстуры.
пластинок образованы точками или пятнами (рефлексами) с правильным расположением, от текстур — дугами (рис. 1), от поликрист. образцов — равномерно зачернёнными окружностями (аналогично дебаеграммам), а при съёмке на движущуюся фотопластинку — параллельными линиями. Эти типы электронограмм получаются в результате упругого, преим. однократного, рассеяния (без обмена энергией с кристаллом). При многократном неупругом рассеянии возникают вторичные дифракц. картины от дифрагированных пучков (кикучи-электронограммы, рис. 2). Электронограммы от молекул газа содержат небольшое число диффузных ореолов.
В основе определения элем. крист. ячейки и симметрии кристалла ле-
891
жит измерение расположения рефлексов на электронограммах. Межплоскостное расстояние d=L/r, где L — расстояние от образца до фотопластинки, К — длина волны де Бройля эл-на, определяемая его энергией, r — расстояние от рефлекса до центрального пятна на электронограмме. Методы расчёта ат. структуры кристаллов в Э. близки к применяемым
Рис. 2. Кикучи-электронограмма, полученная методом «на отражение» (симметрично расположены тёмные и светлые кикучи-линии).
в рентг. структурном анализе. Так, ф-ла для распределения электростатич. потенциала (х, у, z) аналогична ф-ле для распределения электронной плотности (х, у, z) [ф-ла (2) в ст. Рентгеновский структурный анализ}. Расчёт значений (x, у, z), обычно проводимый на ЭВМ, позволяет установить координаты х, у, z атомов, расстояния между ними и т. д. (рис. 3).
Методами Э. были определены мн. ат. структуры, уточнены и дополнены рентгеноструктурные данные для
Рис. 3. Электрич. потенциал молекулы дикетопиразина в крист. структуре, полученный трёхмерным фурье-синтезом: а и b — оси симметрии молекулы. Сгущение линий соответствует положениям атомов.
большого числа в-в, в т. ч. мн. цепных и циклич. углеводородов, в к-рых впервые были локализованы атомы водорода, нитридов переходных металлов (Fe, Cr,Ni, W), обширного класса оксидов Nb, V, Та с локализацией атомов N и О, а также 2- и 3-компонентных полупроводниковых соединений, глинистых минералов и слоистых структур. При помощи Э. изучают и
структуру дефектных кристаллов. В комплексе с электронной микроскопией Э. позволяет изучать фазовый состав и степень совершенства структуры тонких крист. плёнок, используемых в разл. областях совр. техники. Для процессов эпитаксии существенным явл. контроль степени совершенства поверхности подложки до нанесения плёнок, к-рый выполняется с помощью кикучи-электронограмм: даже незначит. нарушения её структуры приводят к размытию кикучи-линий.
На электронограммах, получаемых от молекул газов, а также паров оксидов, галогенидов и др. соединений, дифракц. пучки образуют диффузные кольцевые ореолы, диаметры и интенсивность к-рых определяются расположением атомов в молекуле и дифракц, хар-ками атомов (их ат. амплитудами упругого и неупругого рассеяния). Методы газовой Э. позволяют определять структуры молекул с числом атомов до 10—20, а также характер их тепловых колебаний в широком интервале темп-р. Аналогичным методом проводят анализ ат. структуры ближнего порядка (см. Дальний и ближний порядок) в аморфных телах, стёклах, жидкостях.
При использовании медленных эл-нов, к-рые вследствие малости энергии проникают лишь в самые верх. слои кристалла, их дифракция даёт сведения о структуре «двумерной» решётки как атомов самого кристалла у его поверхности, так и адсорбированных кристаллом атомов газов. При дифракции медленных эл-нов может также происходить оже-эффект и др. явления, возникающие вследствие сильного вз-ствия медленных эл-нов с атомами. Применение этого метода целесообразно в сочетании с масс-спектроскопией и оже-спектроскопией. Эти исследования позволяют изучать явления адсорбции, самые начальные стадии кристаллизации и др.
•Пинскер 3. Г., Дифракция электронов, М.— Л., 1949; Вайнштейн Б. К., Структурная электронография, М., 1956; Звягин Б.Б., Электронография и структурная кристаллография глинистых минералов, М., 1964.
З. Г. Пинскер.
ЭЛЕКТРОН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, взаимодействие носителей заряда в тв. телах с колебаниями кристаллической решётки — фононами. При распространении колебаний в решётке происходит изменение её периода, что приводит к локальному изменению энергии носителей. Помимо этого деформац. механизма Э.-ф. в. возможны и другие. Так, в ионных кристаллах колебания решётки сопровождаются появлением у элементарной ячейки кристалла переменного дипольного электрич. момента, влияющего на поведение носителей. В металлах имеет место плазменный механизм, обусловленный электродинамич. вз-ствием эл-нов и ионов. В пьезоэлектриках деформация решётки сопровождается возникновением
электрич. поля, что даёт дополнит. вклад в Э.-ф. в., к-рый в нек-рых случаях (напр., в области низких частот) может быть доминирующим. В кристаллах с большим значением диэлектрич. проницаемости существенный вклад в Э.-ф. в. вносит электрострикция.
Э.-ф. в. обусловливает ряд специфич. явлений в тв. телах: 1) движение эл-нов в кристалле сопровождается движением поля деформации (см. Полярон}; 2) эл-ны, испуская и поглощая фононы, переходят из одного состояния в другое; 3) в нек-рых особых случаях Э.-ф. в. приводит к появлению сверхпроводимости и др. Частный случай Э.-ф. в.— акустоэлектронное взаимодействие.
• П а й н с Д., Элементарные возбуждения в твердых телах, пер. с англ., М., 1965; Силин В. П., Рухадзе А. А., Электромагнитные свойства плазмы и плазмоподобных сред, М., 1961. См. также лит. при ст. Полупроводники.
Э. М. Эпштейн.