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   = 
1000 км/с
=  десятые доли фс.

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.


0
Написать комментарий

    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»