Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №44/2003

НОВОСТИ НАУКИ

"НЕРАБОЧИЙ" АРГОН
РАБОТАЕТ

«Бог в кости не играет», – говаривал Альберт Эйнштейн, когда возражал физикам-квантовикам, в молодом задоре предполагавшим вероятностную природу всех процессов во Вселенной. Создатель специальной и общей теории относительности считал, что все в этом мире детерминировано. Если даже поведение частиц нам и кажется вероятностным, оно все равно управляется какими-то строгими законами, которые нам пока просто не известны. Такой подход к трактовке явлений получил название «скрытая вариабельность».
Несмотря на триумф квантовой физики, использующей идею о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма, «еретики» продолжали и продолжают упорствовать.
Стоит, однако, иметь в виду, что подобные теоретические споры и разногласия имеют не схоластический характер, а самое непосредственное отношение к повседневности, поскольку наука не стоит на месте и постоянно требует создания новых методов и приборов, обладающих более высоким разрешением, причем приборы должны быть неразрушающими, поскольку нет смысла исследовать образец или пытаться воспроизвести его синтетически, если он разрушается в ходе самого изучения.
Поскольку мир все увереннее вступает в век нанотехнологий, ученым очень важно измерять эти самые «наноизделия», размеры которых в десятки раз меньше длин волн лучей видимого спектра. Сделать это можно с помощью сверхкоротких волн жесткого ультрафиолета. Сейчас такие волны получают с помощью синхрофазотрона размером с целую комнату – единственного источника когерентного излучения с малой длиной волны (чем она меньше, тем выше разрешение и тем меньший объект может быть измерен).
Классическим примером «прорыва» в изучении малых систем стала электронная микроскопия. Если, например, в обычный микроскоп можно увидеть только хромосомы, да и то в конденсированном виде, то в электронный видны уже молекулы ДНК. Вполне можно предполагать, что идея прочтения генома человека зародилась именно тогда, когда исследователи увидели в электронный микроскоп молекулу жизни во всей ее красе.
Можно, конечно, использовать рентгеновские лучи, но они опасны для здоровья и к тому же обычно прожигают зеркала насквозь. Во многом из-за этого несостоятельны знаменитые звездные войны, в которых предполагалось использовать рентгеновские лазеры для сбивания ракет.
Чтобы обойти все эти и им подобные препятствия и в то же время получить стабильный источник когерентного коротковолнового излучения, Маргарет Мурнан из Колорадского университета (США) вместе со своими коллегами предложила использовать обычный инфракрасный лазер! Лазер испускает импульсы через каждые 25 фемтосекунд (1 фс = 10–15 с), которые активизируют «рабочее тело», т. е. осуществляется накачка, нагнетание энергии в рабочее тело с помощью излучения. Световая энергия возбуждает электроны атомов и молекул, благодаря чему затем происходит одновременное вынужденное испускание фотонов с единой длиной волны, что и определяет когерентность такого излучения и его высокую направленность (свет обычной лампы не является когерентным, что крайне неудобно в научных исследованиях).

Экспериментальная установка для генерации жесткого ультрафиолетового излучения: 1 – полое волокно диаметром 150 мкм, заполненное аргоном под давлением 30 Торр; 2 – алюминиевый фильтр, отсекающий накачивающее излучение; 3 – объект; 4 – цифровая камера и полученное с ее помощью изображение объекта

Экспериментальная установка для генерации
жесткого ультрафиолетового излучения:
1 – полое волокно диаметром 150 мкм,
заполненное аргоном под давлением 30 Торр;
2 – алюминиевый фильтр,
отсекающий накачивающее излучение;
3 – объект;
4 – цифровая камера и полученное
с ее помощью изображение объекта

Рабочим телом в устройстве, предложенном в Колорадском университете (см. рис. на с. 1), является аргон, помещенный в полое волокно длиной 10 см и диаметром всего лишь 150 микрон (1 мкм = 10–6 м). «Атакуют» атомы аргона в полом волокне инфракрасные лучи с длиной волны 760 нм. Сверхкороткие импульсы лазерного света выбивают из атомов инертного газа электроны, которые затем бомбардируют электронные оболочки других – невозбужденных – атомов.
Подобная электронная атака сильно возбуждает атомы аргона, в результате чего генерируется жесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны всего лишь 40 нм! При этом длина волны ультрафиолетового света определяется давлением газа: чем давление ниже, тем больше времени проходит до захвата электрона катионом, т. е. до его возвращения на свой исходный или основной энергетический уровень. Когда выбитый из первого атома аргона электрон колеблется в электромагнитном поле инфракрасного импульса, он довольно скоро сталкивается с электронной оболочкой другого атома аргона, передавая ей свой импульс. Столкновения электронов приводят к высвобождению энергии в виде ультрафиолетового излучения.
Ученые получили КПД конверсии всего лишь порядка 0,001%. Казалось бы, этого мало, но все равно больше, чем достигают при использовании громоздкого синхрофазотрона. К тому же направление ультрафиолетового луча более стабильно. Исследователи утверждают, что модифицирование прибора позволило получить при большей концентрации аргона (и большей его возбудимости) ультрафиолетовые лучи с длиной волны всего лишь 13 нм! С помощью таких лучей можно измерять одиночные молекулы…

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(New Scientist, 2002, July, p. 17, 21;
Science, 2002, v. 297, p. 376)