Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
В помощь читателю
Миллисекунды
Микросекунды
Наносекунды
Пикосекунды
Фемтосекунды
Мир электронов и света
Оптические вычислительные технологии
Фемтохимия
Фемтобиология
Аттосекунды
Зептосекунды
Йоктосекунды
От секунды до года
Астрономические времена
Сонолюминесценция
Фолдинг белков
Возбужденные атомы
Ядерные распады
Элементарные частицы
Движение континентов
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram





Главная / Масштабы: времена / Фемтосекунды / Мир электронов и света

Фемтосекунды: 1. Мир электронов и света

Свободные электроны в металле

Свободные электроны в металле. Изображение с сайта physbook.ru

1 фс = 10−15 c

Если за время порядка пикосекунды атомы еще активно движутся, то фемтосекундные процессы происходят при практически неподвижных атомах. Здесь на первый план выходят другие действующие лица — электроны и свет.

Электроны легкие, в тысячи раз легче атомов, поэтому неудивительно, что при той же температуре они двигаются быстрее. Однако не это главное! Самый важный факт, который надо знать про электроны в твердых телах, в особенности в металлах, — это что их движение нетепловое. Их движение определяется квантовыми законами. Поэтому типичные скорости электронов в металле получаются большими — порядка тысячи км/с, — и это намного больше, чем мы получили бы по обычной формуле для тепловых скоростей частиц известной массы. Значения «потолка скорости» электронов для разных металлов (он называется «скорость Ферми») можно найти в этой таблице.

Чтобы не возникло недопонимания, подчеркнем: это скорость хаотического движения электронов в металле. Под действием электрического поля электроны, в дополнение к быстрому хаотическому движению, начинают дрейфовать, постепенно смещаться в ту сторону, куда их поле направляет. Так получается электрический ток. Но эта скорость дрейфа очень маленькая, порядка миллиметров в секунду, и она вынужденная. Ее не надо путать с неустранимой скоростью собственного хаотического движения.

Раз известна типичная скорость электрона, можно найти характерное «электронное время» — то время, за которое электрон пролетает межатомное расстояние:

te   ≈     несколько Å   =  десятые доли фс.
1000 км/с

Поскольку электроны в металлах не натыкаются на каждый атом, а пролетают некоторую дистанцию до очередного столкновения, выходит, что между отдельными столкновениями электронов обычно проходит несколько фемтосекунд.

Спектр электромагнитный волн. Видимый свет занимает в нем узкую полоску длин волн от 400 до 700 нм

Спектр электромагнитный волн. Видимый свет занимает в нем узкую полоску длин волн от 400 до 700 нм и с частотами около 1015 Гц. Изображение с сайта 2012books.lardbucket.org

Свет — это электромагнитная волна, и, как у всякой волны, у нее есть период колебаний T и длина волны λ. Эти величины связаны друг с другом через скорость света. Вообще, спектр электромагнитных волн очень широк, и видимый свет занимает на нем лишь узенькую полоску. Длины волн видимого света лежат между 400 нм (фиолетовый) и 700 нм (красный), поэтому типичный период колебаний составляет

T   =   400 нм   =  1,3 фс
с

для фиолетового света и примерно вдвое больше — для красного. Этим временам соответствует частота колебаний почти 1015 Гц.

Из этой оценки следует один важный вывод касательно пользы световых импульсов для изучения быстропротекающих процессов. Еще с микросекунд мы узнали, что такие процессы можно изучать, осветив их в нужный момент яркой и очень короткой световой вспышкой. С помощью лазеров можно получать вспышки длительности в нано-, пико- и фемтосекунды. Но дальше — стоп, не получится! Любое излучение должно совершить хотя бы одно полноценное колебание. Поэтому сделать оптическую вспышку видимого света короче пары фемтосекунд — физически невозможно. Впрочем, и фемтосекундные вспышки — отличный инструмент исследования, с помощью которого можно изучать огромное количество физических явлений.

Назад: Элементарные частицы  |  Далее: Оптические вычислительные технологии

 

Комментировать
 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия