في عام 1803 ، قام رجل نبيل بنشر عمل وصف فيه تجربة تثبت نظرية موجة الضوء. هذا الرجل كان توماس يونج ، وتمت تسمية تجربته باسم "التجربة ذات الشق المزدوج". لقد مر أكثر من قرنين من الزمان ، لكن تجربة يونغ لم تُنسَ بل أصبحت أساسًا لطريقة جديدة في التحليل الطيفي للأشعة السينية ، مما يسمح بإجراء دراسة أكثر تفصيلًا للخصائص الفيزيائية للمادة الصلبة. لذا ، لماذا تعتبر تجربة يونغ واحدة من العناصر الأساسية في الفيزياء ، وكيف استخدمها علماء الحديث ، وماذا جاء منها ، نتعلم من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.
خلفية صغيرةكما ذكرنا سابقًا ، في عام 1803 ، نشر توماس يونج وصفًا لتجربته غير العادية. ولأن "من لا يعرف الماضي ليس له مستقبل" ، فسننظر بإيجاز في هذه التجربة معك.
توماس يونجلذلك ، للتجربة ، كانت هناك حاجة إلى ثلاثة أشياء فقط: الضوء ، لوحة مع فتحتين عموديين وشاشة عرض. في هذه الحالة ، كان إشعاع الضوء أحادي اللون ، أي أنه كان له الحد الأدنى من انتشار التردد. يتم توجيه الضوء إلى اللوحة مع فتحات ، وينبغي أن يكون عرضه أقرب ما يمكن من طول موجة الإشعاع. هناك حاجة إلى شاشة الإسقاط لمراقبة النتيجة.
وهنا يوجد تصادم بين نظريتي الضوء - المجسم والموجي.
الأول يفترض أن الضوء يتكون من جزيئات. والثاني هو أنها موجة. بناءً على كل من هذه النظريات ، يجب أن نحصل على نتائج مختلفة في تجربة Jung.
والآن سوف ندخل بعض الخيال. تخيل أنك تلعب لعبة الادسنس من خلال شاشتنا ذات الخبرة مع فتحات (نعم ، العدو ليس جيدًا جدًا منه ، لكن هذا ليس هو الهدف). تقوم بإطلاق النار من بندقية مزودة بالكرات ، بعضها يرتد من الشاشة ، ويمر البعض عبر الفتحات ويدخل شاشة الإسقاط. البندقية هي مصدر إشعاع الضوء. الكرات هي جزيئات الضوء. وهكذا ، على الشاشة نرى شريطان ، أي منطقتان تسقطان من بندقية.
التمثيل التخطيطي لتجربة يونغ.مع نظرية الموجة ، لا تزال أكثر إثارة للاهتمام ، لذلك تحتاج إلى مزيد من الخيال. أنت الآن تلعب لعبة الادسنس بين المجرات ، وبندقيتك ، أنا آسف ، يطلق الناسف الموجات. عندما تقوم بتصوير موجة على الشاشة ، تصبح الفتحتان هي البداية (المصدر) لاثنين من الأمواج الثانوية الجديدة ، والتي ستتقاطع بالفعل خلف الشاشة. وهنا سنرى على الشاشة العديد من النتائج المختلفة دفعة واحدة (مناطق "الضرب"). هذه النتيجة هي تداخل الضوء ، لكنها تتطلب ظروفًا معينة.
أولاً ، يجب أن تكون مصادر الضوء (يوجد اثنان في التجربة) متماسكة ، وهذا ثابت. لإنشاء اثنين من انبعاثات الضوء متماسكة إشكالية ، على أقل تقدير. لذلك ، يتم استخدام شعاع واحد من الضوء ، والذي ينقسم إلى اثنين بسبب نفس الشاشة مع فتحات. لذلك نحن نحاكي التماسك بسبب الموجات الثانوية للإشعاع الضوئي الأولي.
ثانياً ، يلعب عرض الفتحات دورًا مهمًا ، حيث أنه مع ازديادها ستزيد إضاءة الشاشة ، أي أنه سيكون من الصعب التمييز بين الحد الأقصى والحد الأدنى لنمط التداخل. لذلك ، يجب أن يكون العرض أقرب ما يكون إلى الطول الموجي للإشعاع.
وثالثا ، تؤثر المسافة بين الفتحات على تردد هامش التداخل.
نتيجة لذلك ، لم يقدم توماس يونج دليلًا على تداخل الضوء فحسب ، بل أثار أيضًا جدلاً أكبر بين مؤيدي النظريتين ، الجسيمية والموجة.
في الواقع ، لم تكن تجربة Jung مشاكسة حقًا (آمل أن يكون العلماء أيضًا من المشجعين) ، بل تم دفعها لإجراء دراسة أعمق للضوء وملامحه وطرق شرحه.
مع الاهتمام المتزايد بفيزياء الكم ، تلقت تجربة يونج نظرية أخرى في بنكه الخنزير - الكم. وهنا لن يساعدنا الخيال كثيرًا ، لأنه من الصعب للغاية تصور كرة لإدسنس ، قادرة على أن تكون جسيمًا وموجة على حد سواء ، ومنفصلة ، ومتصلة ، والشيطان يعرف ماذا يفعل. خلاصة القول هي أن العلماء قرروا إجراء تجربة يونغ مع الإلكترون ، واستخدامها بدلا من الضوء.
أطلق العلماء النار على إلكترون واحد ، بحيث لم تتح لهم الفرصة للتفاعل مع بعضهم البعض. في الطريق ، كانت لديهم نفس الشاشة مع فتحتين كما في تجربة Jung الكلاسيكية ، ثم شاشة لتصور النتائج.
منطقيا ، ينبغي أن تشكل الإلكترونات المفردة التي تسقط في فتحات مجالين للتأثير على الشاشة ، كما هو الحال في النظرية التجسيمية. ومع ذلك ، فإننا نعرف أن نظرية الكم والمنطق الكلاسيكي غالباً ما تتباعدان. كانت نتيجة التجربة مع الإلكترونات الكثير من مجالات التأثير ، كما في نظرية الموجة. بمعنى آخر ، الإلكترون هو جسيم وموجة (موجة دي بروجلي ، لتكون أكثر دقة) في نفس الوقت. وهكذا ، فإن الإلكترون في حالة تراكب الكم ، أي أنه يحتوي على عدة حالات في وقت واحد لا يمكن تحقيقها في وقت واحد من وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية. نعم ، يبدو في بعض الأحيان أن علماء الفيزياء الكلاسيكية والكمية هما لودفيج فان بيتهوفن وأوزي أوزبورن - كلاهما رائعان ، لكنهما مختلفان من نواح كثيرة.
فيديو تعليمي قصير حول الموضوع:
الجزء الأول
الجزء الثاني
يبدو أن توماس يونج لم يكن بإمكانه أن يتخيل إلى أي مدى ستذهب تجربته ، وإلى أي مدى يمكنه أن يقول. والآن سننظر في تصرفات المعاصرين لدينا الذين قرروا تطبيق تجربة Thomas Young لتنفيذ نوع جديد من التحليل الطيفي للأشعة السينية.
أساس الدراسةمثال صارخ على شيء ينتمي إلى كل من الجزيئات والأمواج في ميكانيكا الكم هو تشتت غير مرن من الأشعة السينية (RIXS). فيما يتعلق بالجسيمات في RIXS ، يدفع فوتون الأشعة السينية إلكترونًا من نواة الذرة إلى قشرة التكافؤ. في هذه اللحظة ، تتشكل حالة ذرية شديدة الإثارة حيث يكون هناك "فراغ" موضعي للغاية من عدة picometers في الحجم. تتحلل هذه الحالة الوسيطة بسرعة كبيرة ، وهو ما يتوافق مع حقيقة أن الفراغ مليء بإلكترون التكافؤ عند إعادة انبعاث الفوتون. قد تتوافق الحالة المثارة النهائية مع الإثارة المدارية أو المغناطيسية أو بين النطاقات.
يركز الباحثون على دراسة موجات الأشعة السينية التي تنتشر خلال الحالة الوسيطة الموضعية المذكورة أعلاه ، وبعد تشكيل التداخل.
ينقلنا العلماء قليلاً إلى الماضي ، وبالتحديد في التسعينيات. وفقا لهم ، أصبح من الواضح حتى ذلك الحين - حتى لو كان التشتت في RIXS غير مرن ، وكانت الفتحة الموجودة في نواة الذرة (من الأفضل تسميتها مصطلح "الشغور") محلية جدًا ، عندئذ يجب أن تتسع السعات الناتجة عن تكوينها وإزالتها بشكل متماسك باستخدام الأيونات المتماثلة المشاركة في الوهن من حالة الإثارة النهائية. بسبب كل هذا ، التدخل ممكن.
الصورة رقم 1وبالفعل في عام 1994 ، تم افتراض مظهر التداخل لـ RIXS في الجزيئات ثنائية الذرة ، والذي يتوافق مع تجربة يونغ. هذا ممكن نظرًا لحقيقة أن الحالة الوسيطة لـ RIXS تحتوي على شاغر واحد للنواة ، والذي يمكن أن يكون على أي من الذرتين في الجزيء (الصورة رقم 1). في الحالة النهائية ، يكون الإلكترون في مدار جزيئي متحمس ، يتم تغيير اتجاهه في ذرتين. يخلق إشعاع الأشعة السينية تشويشًا في شكل تذبذب تداخل الجيبية على الرسم البياني.
تم اختيار Ba
3 CeIr
2 O
9 (BCIO) ، وهو عازل ، وهو مادة صلبة بلورية ذات بنية إلكترونية شبه جزيئية (
2A ) ، ليكون الموضوع التجريبي الرئيسي. هذه الخصائص تجعل من الممكن النظر في التداخل بشكل أكثر وضوحًا ، وهو مؤشر واضح على تماثل الإثارات الإلكترونية منخفضة الطاقة.
نتائج البحوثلذلك ، بالنسبة للمبتدئين ، نما العلماء بلورات BCIO الفردية. أظهر كل من أيونات Ir
4+ داخل المخالفات الهيكلية تكوين 5d
5 مع وظيفة شاغرة واحدة في غلاف t
2g .
الصورة رقم 2يلاحظ العلماء أن الحد الأدنى للمسافة بين الأيونات المجاورة (الأشعة تحت الحمراء) كان 2.5 Å. تبعا لذلك ، فإن التفاعل الأيوني intradimeric قوي بما فيه الكفاية ويشجع على تشكيل المدارات شبه الجزيئية مع انشقاق قوي الربط المضادة. هذا الموقف مختلف تمامًا عن ذلك عندما يكون هناك Ir
4+ واحد ، عندما يفصل اقتران مداري قوي (≈ ≈ 0.4-0.5 eV) بين مجرى t
2g المحلي ويؤدي إلى j- متشابك في المدار j = 1/2 لحظات (
2B ).
في حالة وجود تفاعل قوي بين مدار الدوران ، يمكن أن تتشكل حالات الربط / التجليد من حالة الدوران - المداري - j = 1/2 (
2D ). ومع ذلك ، فإن تفاعل IR-IR القوي يمكن أن يطفئ j = 1/2 لحظات. في هذه الحالة ، تصبح المدارات t
2g أساسًا أكثر ملاءمة لتشكيل حالات الربط / منع الارتباط (
2C ).
الصورة رقم 3في الصورة
3A ، يمكننا أن نرى نتائج RIXS لعينة Ba
3 CeIr
2 O
9 مع إشعاع ثابت مضبوط على حافة L3 من Ir (2p → 5d) ، مما يعزز بشكل مرن الانتثار غير المرن من الإثارات داخل t
2g . 5d t
2g - e
δ g انقسام فوق 3 eV ، في حين أن الوظائف المرصودة (
a و
B و ℽ على الرسم البياني) تقع في النطاق 0.5 ... 1.5 eV. وبالتالي ، يمكن أن يعزى إلى الإثارة int
2g . تجدر الإشارة أيضًا إلى أن الرسم البياني لا يحتوي على ميزات مميزة للفرد j = 1/2 لحظات ، وأن ذروة الإثارة المدارية تصل إلى 1.5 λ بحد أقصى.
يلاحظ الباحثون ملاحظة مهمة أخرى: تُظهر الكثافة المتكاملة للوظائف سمات واضحة للتداخل بين شعاعين ، بمعنى آخر ، تذبذب جيبي واضح كدالة لـ q
c (
3B ). وهكذا ، حصلنا على تجربة Jung ، فقط في هذه الحالة ، بدلاً من المسافة بين الفتحات ، لدينا المسافة بين الأيونات (Ir-Ir).
هذه الدراسة هي واحدة من أصعب الدراسات التي واجهتها ، لذلك أوصي بشدة أن تقرأ
تقرير العلماء والمواد الإضافية إذا كنت مهتمًا بالتفاصيل والفروق الدقيقة وتفاصيل هذا العمل.
خاتمةيعتقد العلماء أن أهم ميزة لقياس التداخل في RIXS هي القدرة على تحديد تناظر الإثارات ذات الطاقة المنخفضة ، مما يساعد على تمييز نوعين مختلفين من المدارات الموصوفة في الصورتين 2C و 2D.
بطبيعة الحال ، لن تنتهي دراسة الطريقة الجديدة للطيف بالأشعة السينية من هناك ، لأن العلماء وصفوا قليلاً فقط قمة الجبل الجليدي. قد تفتح تجارب أخرى مع أنواع أخرى من المواد طرقًا جديدة لتنفيذ هذه التقنية. في أي حال ، يعد تحسين أحدث التقنيات لدراسة الخصائص الفيزيائية للأشياء التي تمت دراستها بالفعل (من المفترض) أمرًا جيدًا.
بالإضافة إلى ذلك ، كانت هذه الدراسة مثالًا جيدًا على حقيقة أن الاكتشافات والملاحظات التي تم إجراؤها قبل عدة قرون لا تزال غير قادرة على المفاجأة فحسب ، بل إنها مفيدة أيضًا بشكل لا يصدق لإنشاء تقنيات وتقنيات جديدة وما إلى ذلك.
شكرًا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ، على الرغم من تعقيد المادة التي تهتم بها :) ، وأسبوع عمل ممتاز للجميع ، أيها الرجال.
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الربيع مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلبها
هنا .
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟