Конструкторское Опытное

Бюро Радиоаппаратуры

Вы находитесь здесь:Главная // Новости // Автокомплексы // 5 технологий, которые дала физика элементарных частиц

Поиск новостей

Период создания

-
Пятница, 28 Август 2015 05:46

5 технологий, которые дала физика элементарных частиц

Элементарных частиц никто никогда не видел, даже физики, которые их изучают. Размер частиц гораздо меньше длины волны видимого света, а их свойства таковы, что невозможно даже точно сказать, в какой именно точке пространства они находятся в каждый момент времени.

Тем не менее физика элементарных частиц в ее современном состоянии – это самая экспериментально подтвержденная и теоретически развитая область из всех наук о природе. А технологиями, которые появились благодаря этой сфере науки, люди пользуются каждый день. Вот лишь пять самых распространенных из них.

Экраны и дисплеи

В 1897 году американский физик Джозеф Джон Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон. Стало ясно, что хорошо знакомые физикам катодные лучи, в том числе и электрический ток в вакууме, представляют собой поток электронов. Причем с помощью дополнительного электромагнитного поля этим потоком оказалось возможно эффективно управлять – изменять его интенсивность и распределение в пространстве.

Благодаря этим свойствам появились радиолампы, кинескопы и другие электронно-лучевые приборы, бывшие основой всей электроники вплоть до 1950-х годов. Ламповые приборы можно встретить и сейчас – к примеру, они популярны среди гитаристов и аудиофилов. Кроме того, на аналогичной с радиолампами технологии основана работа излучателей в микроволновках.

Кинескопы, в которых поток электронов распределяется в пространстве с помощью внешнего поля, сделали возможным создание телевизоров и мониторов. Некоторое время назад на смену им пришли плазменные и ЖК-дисплеи (а в самое последнее время – и OLED-дисплеи). Принцип их работы основан на изменении свойств света при прохождении через определенную среду, причем параметрами самой среды можно управлять с помощью электрического поля. Эти технологии не были бы возможны без фундаментальных исследований взаимодействия света и вещества на уровне элементарных частиц, которые являются основой квантовой физики.

Что же касается радиоламп, то они уступили свое место полупроводниковым транзисторам еще раньше, чем ушли в прошлое кинескопы, – в 1960-х годах ХХ века. Именно с этого времени началась эра микроэлектроники.

Микроэлектроника на полупроводниках

Если бы не физика элементарных частиц, сегодня не было бы ни компьютеров, ни смартфонов, ни "умных" стиральных машин. Все эти устройства своей работой обязаны одному замечательному свойству некоторых материалов, которые принято называть полупроводниками. Объясняющая работу полупроводников "зонная теория" была создана в рамках квантовой механики – области физики, которая рассказывает, как устроен мир на самых маленьких масштабах.

Согласно постулатам Бора, лежащим в основании квантовой физики, энергия электрона в атоме может принимать лишь дискретные значения, которые соответствуют одной из его орбиталей. Однако в телах, состоящих из большого количества атомов и молекул, дискретные значения энергии множества электронов приобретают почти непрерывный характер, составляя две зоны – зону валентности и зону проводимости.

В случае металлов эти зоны пересекаются между собой, поэтому металл проводит ток в любом состоянии и при любой температуре. А вот в веществах, которые не считаются хорошими проводниками, зоны валентности и проводимости не пересекаются, причем "зазор" между ними может быть разный. Если он не слишком велик и составляет не больше условных 3,5 электронвольта, то вещество принято называть полупроводником. В ином случае вещество считается диэлектриком.

Полупроводники отличаются тем, что начинают проводить ток при относительно небольшом повышении температуры. Причем проводимость можно увеличить путем легирования – добавления в изначальное вещество определенных примесей. Кроме того, в полупроводнике, помимо электронной проводимости, присутствует так называемая дырочная, когда свободное от электрона место перемещается по кристаллической решетке вещества и придает атомам и молекулам положительный заряд.

Это особое свойство полупроводников делает возможным так называемый p-n-переход, лежащий в основе работы всех современных транзисторов, диодов и других приборов. На стыке двух разных полупроводников, один из которых имеет избыток электронов, а другой – избыток дырок, образуется область, через которую электрический ток может протекать лишь в одном направлении. Эта область и называется p-n-переходом.

Функционально полупроводниковый транзистор аналогичен радиолампе, при этом его размеры могут быть в огромное число раз меньше. Современные полупроводниковые транзисторы занимают около одного квадратного микрометра – то есть тысячной доли миллиметра. Это позволяет размещать в процессорах более миллиарда транзисторов, что делает возможным создание компактных и мощных гаджетов: ноутбуков, смартфонов, планшетов и всего остального, без чего невозможно представить современную жизнь.

Лазеры

Изучение взаимодействия света с веществом привело к еще одному важнейшему практическому результату – созданию лазеров. Их история началась в 1916 году, когда Альберт Эйнштейн предположил существование механизма так называемого вынужденного излучения.

Атомы и молекулы любого вещества, как и электроны, могут находиться в нескольких дискретных энергетических состояниях и переходить из одного состояние в другое. Эйнштейн предположил, что, переходя из состояния с более низкой энергией в состояние с более высокой, атом должен поглощать фотон, а при обратном переходе – испускать.

Причем переход в более низкое энергетическое состояние может происходить под действием фотона и без его поглощения, в случае если энергия этого фотона строго равна разнице энергий между двумя состояниями атома. Тогда атом испускает фотон, который будет совершенно неотличим от первоначального – того, который не был поглощен. Новый фотон имеет ту же длину волны и испускается строго в том же направлении – это и называется вынужденным излучением. Таким образом, падающий на вещество свет усиливается – так и работает лазер.

Вещество для вынужденного излучения называется рабочим телом лазера. Для работы его необходимо "накачать" энергией, чтобы перевести атомы или молекулы в возбужденное состояние. Когда таких возбужденных частиц станет больше, чем частиц в основном состоянии, возникает так называемая инверсия населенности, которая и дает возможность рабочему телу испускать вынужденное излучение.

Световое излучение лазера обладает некоторыми особенными свойствами – оно монохромно и когерентно (имеет один "цвет" и длину волны), а также узко направлено. Последнее является следствием конструкции лазера, которая обязательно должна включать резонатор, чтобы создать в конструкции обратную связь для поддержания постоянного вынужденного излучения.

Необычные свойства лазера нашли ему сотни различных применений, причем в совершенно разных отраслях – от музыкальных шоу до нанотехнологий. Лазерный луч можно сфокусировать в мельчайшую точку, размером до одного микрона (тысячной доли миллиметра), в которой будет сконцентрирована вся энергия излучения. Это делает его очень удобным инструментом для тончайших операций в самых разных отраслях – от медицины до сплава металлов.

Медицина и химия

Помимо лазеров, в медицине используется и множество других открытий из физики элементарных частиц. Самое известное из них – рентгеновские лучи. В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген, исследуя уже упомянутые выше катодные лучи, открыл новый вид излучения, который обладал замечательным свойством – он мог просвечивать человеческое тело, задерживаясь в плотных тканях. Это позволило делать снимки костей и внутренних органов, то есть буквально заглядывать внутрь человека без хирургического вмешательства. В 1901 году Рентген стал обладателем первой в истории Нобелевской премии по физике, причем комитет сделал особый упор на практическую важность его открытия.

Сегодня рентгеновские технологии в медицине ушли далеко вперед – с помощью компьютеров врачи могут делать трехмерную томографию всего тела. В 1970-х была также изобретена магнитно-резонансная томография, принцип работы которой основан на поведении ядер атомов водорода в сильном электромагнитном поле. Конечно, эта технология также целиком является порождением физики элементарных частиц.

Отдельного упоминания заслуживает изобретение электронного микроскопа, которое позволило заглянуть на такие ничтожно малые расстояния, как размер одного атома. В электронном микроскопе вместо обычного света и линз используется пучок электронов, направляемый и ускоряемый в специальной трубе, а затем рассеиваемый на исследуемом веществе. Электронный микроскоп произвел настоящую революцию в химии, биологии и медицине.

Атомная энергетика

Вопреки устоявшемуся мнению, знаменитую формулу E=mc² первым сформулировал далеко не Эйнштейн. Однако именно он был тем, кому первому удалось разглядеть глубочайший смысл, который в ней заложен. Эта формула постулирует фундаментальную связь между массой и энергией, которые по сути есть проявления одного и того же свойства любого вещества. Масса может превращаться в энергию, а энергия в массу, и это происходит повсюду в природе – во время химических реакций, в процессе столкновений элементарных частиц, термоядерного синтеза и радиоактивного распада.

Если оценивать это свойство мира с количественной точки зрения, то оказывается, что даже в ничтожной массе заключена колоссальная энергия. К примеру, один грамм любого вещества содержит энергию, эквивалентную той, которая выделяется при взрыве 25 тысяч тонн тротила.

Один из пионеров ядерной физики, британец Эрнест Резерфорд, в 1933 году заявил: "Каждый, кто надеется, что преобразования атомных ядер станут источником энергии, исповедует вздор". Действительно, одно дело – выявить теоретическую связь между массой и энергией, но совсем другое – применить ее на практике. Тем не менее эта фраза, вероятно, стала самой большой ошибкой в жизни Резерфорда.

Уже в 1945 году жители японских городов Хиросима и Нагасаки почувствовали на себе, что такое ядерная энергия. А в 1961 году на полигоне "Новая Земля" в СССР было испытано самое мощное из когда-либо созданного оружия – "Царь-бомба", энергия взрыва которой составила 57 мегатонн. Это в четыре тысячи раз больше, чем энергия взрыва в Хиросиме.

Принято считать, что создание ядерного оружия чуть не привело человечество к катастрофе и никто не застрахован от того, что не приведет в будущем. Тем не менее получение оружия, мощность которого не ограничена практически ничем, заставило человечество чуть ли не впервые в истории задуматься, стоит ли ему вообще воевать.

Но ядерная физика подарила нам не только разрушение – атомная энергетика, как бы ее ни критиковали экологи, дала человеку возможность экономить невозобновляемые ресурсы и покорять космические пространства. Кроме того, если когда-нибудь будет решена проблема управляемого термоядерного синтеза, это даст в руки человеку практически идеальный источник энергии с неограниченным запасом топлива (водород можно добывать прямо из океанской воды) и отсутствием каких-либо продуктов сгорания. Вместе с квантовыми компьютерами управляемый термоядерный синтез в будущем может стать величайшим практическим достижением физики элементарных частиц.

Источник: Информационный ресурс «innogest.ru»