Echos der Vergangenheit: Jungs Erfahrung im Herzen der neuen Methode der Röntgenspektroskopie



    Ein bestimmter Gentleman veröffentlichte 1803 ein Werk, in dem er ein Experiment beschrieb, das die Wellentheorie des Lichts bestätigte. Dieser Gentleman war Thomas Jung und seine Erfahrung wurde als "Experiment mit zwei Schlitzen" bezeichnet. Mehr als zwei Jahrhunderte sind vergangen, aber Jungs Erfahrungen wurden nicht vergessen und wurden sogar zur Grundlage der neuen Röntgenspektroskopie-Methode, die eine genauere Untersuchung der physikalischen Eigenschaften eines Festkörpers ermöglicht. Warum Jungs Erfahrung als eine der grundlegenden Erfahrungen in der Physik gilt, wie moderne Wissenschaftler sie anwendeten und was wir daraus haben, erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

    Ein kleiner Hintergrund

    Wie bereits 1803 gesagt, veröffentlichte Thomas Jung eine Beschreibung seines ungewöhnlichen Experiments. Und da „wer die Vergangenheit nicht kennt, keine Zukunft hat“, werden wir diese Erfahrung kurz mit Ihnen zusammen betrachten.


    Thomas Jung

    Also, für das Experiment wurden nur drei Dinge benötigt: eine Leuchte, eine Platte mit zwei vertikalen Schnitten und eine Projektionsfläche. In diesem Fall war die Lichtstrahlung monochromatisch, dh sie hatte eine minimale Frequenzspreizung. Licht wird auf eine Platte mit Schlitzen gerichtet, deren Breite möglichst nahe an der Strahlungswellenlänge liegen sollte. Eine Projektionsfläche wird benötigt, um das Ergebnis zu überwachen.

    Und hier gibt es eine Kollision zweier Lichttheorien - des Korpuskulars und der Welle.

    Die erste geht davon aus, dass Licht aus Partikeln besteht. Und das zweite ist, dass es eine Welle ist. Basierend auf jeder dieser Theorien müssen wir in Jungs Erfahrung ein anderes Ergebnis erzielen.

    Und jetzt lass uns eine kleine Fantasie verbinden. Stellen Sie sich vor, Sie spielen einen Airsoft mit unserem erfahrenen Schlitzfenster (ja, der Feind ist nicht sehr gut, aber das ist nicht der Punkt). Man schießt eine Waffe mit Kugeln, von denen einige von der Leinwand abprallen, und andere laufen durch die Schlitze und fallen in die Projektionsfläche. Waffe - eine Lichtstrahlungsquelle. Kugeln - Lichtteilchen. Auf dem Bildschirm sehen wir also zwei Streifen, dh zwei Bereiche, in denen eine Waffe fällt.


    Eine schematische Darstellung von Jungs Erfahrung.

    Da die Wellentheorie noch interessanter ist, ist mehr Vorstellungskraft erforderlich. Jetzt spielen Sie intergalaktischen Airsoft, und Ihre Waffe, entschuldigen Sie, Ihr Blaster schießt Wellen. Wenn Sie eine Welle auf einen Bildschirm schießen, werden die beiden Schlitze zum Beginn (Quelle) zweier neuer Sekundärwellen, die sich hinter dem Bildschirm schneiden. Und hier sehen wir auf dem Bildschirm mehrere verschiedene Ergebnisse auf einmal (Bereiche mit "Treffern"). Dieses Ergebnis ist die Interferenz von Licht, erfordert jedoch bestimmte Bedingungen.

    Erstens müssen die Lichtquellen (von denen zwei im Experiment sind) kohärent sein, dh konsistent sein. Das Erzeugen von zwei beständigen Lichtemissionen ist, gelinde gesagt, problematisch. Daher wird ein Lichtstrahl verwendet, der aufgrund desselben Bildschirms mit Schlitzen in zwei Hälften geteilt wird. Wir ahmen also Kohärenz aufgrund von Sekundärwellen der Primärlichtstrahlung nach.

    Zweitens spielt die Breite der Schlitze eine wichtige Rolle, da mit zunehmender Vergrößerung die Beleuchtung des Bildschirms zunimmt, d. H., Es wird schwieriger, die Maxima und Minima des Interferenzmusters zu unterscheiden. Daher sollte die Breite möglichst nahe an der Strahlungswellenlänge liegen.

    Und drittens beeinflusst der Abstand zwischen den Schlitzen die Wiederholfrequenz der Interferenzstreifen.

    Infolgedessen hat Thomas Jung nicht nur den Nachweis der Lichteinwirkung erbracht, sondern auch zu noch mehr Streit zwischen den Befürwortern der beiden Theorien Partikel und Welle geführt.

    Tatsächlich hat Jung's Erfahrung niemanden besonders in Frage gestellt (hoffentlich, weil Wissenschaftler auch Kämpfer sein können), sondern ihn zu einem noch tieferen Studium des Lichts, seiner Merkmale und seiner Erklärungsmöglichkeiten gedrängt.

    Mit dem wachsenden Interesse an der Quantenphysik erhielt Jungs Erfahrung eine andere Theorie in seinem Sparschwein - das Quantenmodell. Und hier hilft uns die Fantasie nicht viel, da es extrem schwierig ist, sich einen Ball für Airsoft vorzustellen, der sowohl ein Teilchen als auch eine Welle sein kann und getrennt und verbunden werden kann, und der Teufel weiß, was er sonst noch tun soll. Unter dem Strich haben sich die Wissenschaftler entschieden, das Experiment von Jung mit einem Elektron anstelle von Licht durchzuführen.

    Die Wissenschaftler "schossen" jeweils ein Elektron, so dass sie nicht die Möglichkeit hatten, miteinander zu interagieren. Auf dem Weg hatten sie den gleichen Bildschirm mit zwei Schlitzen, wie in Jungs klassischer Erfahrung, und dann einen Bildschirm zur Visualisierung der Ergebnisse.

    Logischerweise sollten einzelne Elektronen, die in den Schlitzen eingeschlossen sind, zwei Auftreffbereiche auf dem Bildschirm bilden, d. H. Wie in der Korpuskulartheorie. Wir wissen jedoch, dass die Quantentheorie und die klassische Logik oft voneinander abweichen. Das Ergebnis des Experiments mit Elektronen hatte viele Einflussbereiche, das heißt, wie in der Wellentheorie. Mit anderen Worten, das Elektron ist gleichzeitig ein Teilchen und eine Welle (de Broglie-Welle, genauer gesagt). Das Elektron befindet sich also in einem Zustand der Quantenüberlagerung, dh es besitzt mehrere Zustände auf einmal, die aus Sicht der klassischen Physik nicht gleichzeitig realisiert werden können. Ja, manchmal scheint es, als ob klassische und Quantenphysik Ludwig van Beethoven und Ozzy Osbourne sind - beide sind cool, aber in vielerlei Hinsicht sehr unterschiedlich.

    Ein kleines Video-Tutorial zum Thema:

    Часть I


    Часть II

    Thomas Jung konnte sich anscheinend nicht vorstellen, wie weit er gehen würde und wie viel Neues er sagen kann. Und jetzt wollen wir die Handlungen unserer Zeitgenossen betrachten, die beschlossen haben, die Erfahrung von Thomas Jung zu nutzen, um eine neue Art der Röntgenspektroskopie zu implementieren.

    Die Basis der Studie

    Ein bemerkenswertes Beispiel für die Zugehörigkeit von etwas zu Teilchen und Wellen in der Quantenmechanik ist die unelastische Röntgenstreuung (RIXS). Aus Sicht der Partikel in RIXS drückt ein Röntgenphoton ein Elektron aus dem Atomkern in die Valenzschale. In diesem Moment bildet sich ein hoch angeregter Atomzustand, in dem ein sehr lokalisierter "Hohlraum" mit einer Größe von mehreren Pikometern vorliegt. Ein solcher Zwischenzustand zerfällt sehr schnell, was der Tatsache entspricht, dass der Hohlraum bei der erneuten Emission eines Photons mit einem Valenzelektronen gefüllt ist. Der angeregte Endzustand kann einer Orbital-, Magnet- oder Interbandanregung entsprechen.

    Die Forscher konzentrieren sich auf die Untersuchung von Röntgenwellen, die sich durch den oben genannten lokalisierten Zwischenzustand ausbreiten, und nachdem die Interferenz gebildet wurde.

    Wissenschaftler führen uns ein bisschen in die Vergangenheit, genauer in den 90er Jahren. Demnach war es selbst dann offensichtlich, dass selbst wenn die Streuung in RIXS unelastisch ist und das Loch im Atomkern (besser als "Vakanz" bezeichnet) sehr lokal ist, die Amplituden seiner Bildung und Vernichtung bei Verwendung der identischen beteiligten Ionen dennoch kohärent zusammengefasst werden müssen in der Delokalisierung des Endzustandes der Erregung. Aufgrund dessen ist Interferenz möglich.


    Bildnummer 1

    Und jetzt, 1994, wurde eine Interferenz für RIXS in zweiatomigen Molekülen erwartet, was der Erfahrung von Jung entspricht. Dies ist aufgrund der Tatsache möglich, dass der Zwischenzustand von RIXS eine einzelne Leerstelle eines Kerns enthält, die sich auf einem von zwei Atomen in einem Molekül befinden kann (Bild Nr. 1). Im Endzustand befindet sich das Elektron in einem angeregten Molekülorbital, das von zwei Atomen delokalisiert wird. Röntgenstrahlung erzeugt Interferenz in Form von sinusförmigen Interferenzoszillationen im Graphen.

    Ba 3 CeIr 2 O 9 (BCIO), ein Isolator, der ein kristalliner Feststoff mit einer quasi-molekularen elektronischen Struktur ist ( 2A)). Diese Eigenschaften erlauben eine viel klarere Betrachtung der Interferenz, was ein deutliches Zeichen für die Symmetrie von energiearmen elektronischen Anregungen ist.

    Forschungsergebnisse

    Wissenschaftler haben also zunächst einzelne BCIO-Kristalle gezüchtet. Jedes der Ir 4+ -Ionen innerhalb der strukturellen Dimere zeigte eine 5d 5 -Konfiguration mit einer Leerstelle in der t 2g- Hülle.


    Bild Nr. 2

    Wissenschaftler stellen fest, dass der Mindestabstand zwischen benachbarten Ionen (Ir-Ir) 2,5 Å betrug. Dementsprechend ist die Wechselwirkung zwischen intradimeren Ionen ziemlich stark und trägt zur Bildung von quasi-molekularen Orbitalen mit starker Bindung und Anti-Bindungsspaltung bei. Diese Situation unterscheidet sich sehr von einer Ir-Situation.4+ , wenn eine starke Spin-Orbital-Kopplung (λ ≈ 0,4-0,5 eV) die lokale t 2g- Manifold trennt und zu Spin-Orbit-Verschränkungen j = 1/2 Momente ( 2B ) führt.

    Im Falle einer starken Spin-Orbit-Wechselwirkung können Bindungs- / Anti-Bindungszustände aus dem Spin-Orbit-verschränkten Zustand j = 1/2 ( 2D ) gebildet werden. Eine starke Ir-Ir-Wechselwirkung kann jedoch j = 1/2 Momente auslöschen. In diesem Fall sind die t 2g- Orbitale eine viel bessere Basis für die Bildung von Bindungs- / Antibindungszuständen ( 2C ).


    Bild Nr. 3

    Im Bild von 3A können wir die Ergebnisse der RIXS-Probe von Ba 3 CeIr sehen2 O 9 mit einer auf L3 abgestimmten festen Strahlung, der Kante von Ir (2p → 5d), die die inelastische Streuung von Anregungen innerhalb von t 2g resonant verstärkt . Die Teilung von 5d t 2g - e δ g ist höher als 3 eV, während die beobachteten Funktionen ( a , B und ℽ in der Grafik) im Bereich von 0,5 ... 1,5 eV liegen. Somit können sie auf intra-t 2g- Anregungen zurückgeführt werden. Es ist auch erwähnenswert, dass es keine charakteristischen Merkmale für einzelne j = 1/2 Momente des Diagramms gibt und der Peak der Spinorbit-Erregung ein Maximum von 1,5 λ erreicht.

    Die Forscher stellen eine weitere wichtige Beobachtung fest: Die integrale Intensität der Funktionen zeigt die ausgeprägten Merkmale der Interferenz zweier Strahlen, dh eine deutliche Sinusschwingung als Funktion von q c ( 3B ). So haben wir die Erfahrung von Young erhalten, nur in diesem Fall haben wir anstelle des Abstandes zwischen den Schlitzen den Abstand zwischen den Ionen (Ir-Ir).

    Diese Studie ist eine der schwierigsten von denen, die ich getroffen habe. Daher empfehle ich Ihnen dringend, den Bericht der Wissenschaftler und zusätzliche Materialien dazu zu lesen , wenn Sie an Details, Nuancen und Details dieser Arbeit interessiert sind.

    Epilog

    Wissenschaftler glauben, dass das wichtigste Merkmal der RIXS-Interferometrie die Fähigkeit ist, die Symmetrie von Anregungen mit niedriger Energie zu bestimmen, was die Unterscheidung zwischen zwei verschiedenen Orbitalen erleichtert, die in den Bildern 2C und 2D beschrieben werden.

    Natürlich wird das Studium der neuen Methode der Röntgenspektroskopie nicht dort enden, da die Spitze des Eisbergs von den Wissenschaftlern nur wenig beschrieben wurde. Weitere Experimente mit anderen Materialtypen können neue Wege zur Implementierung dieser Technik eröffnen. In jedem Fall ist es eine gute Sache, die neuesten Methoden zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften auch der bereits untersuchten (vermeintlichen) Objekte zu verbessern.

    Darüber hinaus war diese Studie ein gutes Beispiel dafür, dass Entdeckungen und Beobachtungen, die vor einigen Jahrhunderten gemacht wurden, nicht nur überraschend sind, sondern auch unglaublich nützlich für die Entwicklung neuer Technologien, Methoden usw. sind.

    Danke für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig, trotz der Komplexität des Materials, das Sie interessiert :) und der großartigen Arbeitswoche, Jungs.

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