Meranie fyziklnych velin 1 Mal vzdialenosti Frantiek Kundracik

Meranie fyzikálnych veličín 1. Malé vzdialenosti František Kundracik

Rozsah vzdialeností, ktoré sme schopní merať

Posuvné meradlo a mikrometer n n n Posuvné meradlo (do 0, 05 mm) Mikrometer (do 0, 005 mm = 5 mikrometrov) Presnosť daná mechanickým opracovaním

Optický mikroskop n n n Obmedzenie – vlnový charakter svetla Nemožno zobraziť objekty menšie než vlnová dĺžka – cca 0, 5 mikrometra Na meranie vzdialeností sa používajú napríklad rysky v okulári alebo sa premeriavajú fotografie urobené v primárnom ohnisku

Optický mikroskop n n n Zväčsenie: Y’=Y. d/f Premeriavanie fotografie – negatívov, často pod mikroskopom s mikrometrickým posuvom stolíka U digitálnych snímkov sú známe fyzické rozmery jednej bunky senzora (typicky niekoľko mikrometrov), omnoho pohodnejšie

Optický interferometer n n n Umožňuje merať rozmery menšie než vlnová dĺžka svetla, typicky až 1/50 l, t. j. 10 nanometrov Vznik interferenčných maxím a miním, úplná zmena jasu pri zmene o polovicu vlnovej dĺžky Typické použitie – meranie hrúbky naparených vrstiev

Optický interferometer n n n Pri nie celkom rovnobežných odrazných plochách vzniknú interferenčné prúžky vzdialené o D Pri skokovej zmene hrúbky vrstvy sa prúžky posunú o X, hrúbka vrstvy sa určí trojčlenkou H= X/D. l/2

Talystep

Elipsometer n n n Využíva zmenu polarizácie svetla pri jeho odraze, ktorá závisí od uhla dopadu a indexu lomu materiálu Pri odraze na priehľadnej vrstve navyše vstupuje do hry interferencia „Nulová elipsometria“ – pri dopade vhodne polarizovaného svetla na vzorku je odrazené svetlo lineárne polarizované, takže pri istom uhle natočenia analyzátora cez neho neprechádza svetlo Meria sa uhol natočenia analyzátora a polarizácia dopadajúceho svetla Možnosť presne merať hrúbky vrstiev od 0, 1 nm do mikrometrov, pokiaľ sú homogénne a priehľadné

Elipsometer n n n P-polarizátor C-štvrťvlnová platnička (kompenzátor) A-analyzátor Z jedného merania možno určiť dva neznáme parametre Ak má model vzorky viac parametrov (napr. hrúbka vrstvy, reálna a imaginárna zložka indexu lomu), treba viac meraní pre rôzne uhly dopadu alebo vlnové dĺžky

Elektrónový mikroskop n n n n Vlnovo-časticový dualizmus l = h/p Nie je problém dosiahnuť vlnové dĺžky menšie než je rozmer atómu Rastrovací elektrónový mikroskop (SEM) – ožarovací lúč „behá“ po povrchu vzorky, merajú sa rozptýlené elektróny, svetelné žiarenie a pod. Transmisný elektrónový mikroskop (TEM) – podobný princíp, ale registrujú sa prejdené elektróny Aj zdroj elektrónov musí byť „bodový“, aby sa dal zväzok sfokusovať na malú plochu – napríklad studené tunelové katódy Typická rozlišovacia schopnosť – 3 nm

Elektrónový mikroskop

Elektrónový mikroskop n Technické problémy: n n Vákuum Pokovenie (C, Al)– odvod elektrónov, inak sa vzorka nabije a vychyľuje elektróny Pri veľkom zväčšení (veľkých energiách) hrozí tepelné zničenie vzorky Optická sústava, šošovky

Magnetická šošovka

Elektrostatická šošovka

Rastrovací tunelový mikroskop Prímes Cr v Fe Reaguje na elektrónovú hustotu, získava sa 3 D-obraz, rozlíšenie na úrovni 10 pm (menej než rozmer atómu)

Atomic force microscope n n Povrch grafitu n Hrot sa dotýka povrchu, výška nad povrchom sa nastavuje tak, aby bola konštantná sila pôsobiaca na hrot Statické, kontaktné meranie Dynamické (vplyv povrchu na kmity hrotu) meranie Reaguje na všetky medziatómové sily (elektrické odpudzovanie, Van der Vaalsove sily, . . . ) Spätná väzba rovnaká ako u tunelového mikroskopu

Magnetic force microscope n n n Ako atomic force microscope, ale hrot aj vzorka sú magnetické Používa sa na mapovanie magnetických polí napr. harddiskov (obrázok hore = povrch, dole = magnetické pole) Rozlíšenie – do 30 nm

X-Ray difrakcia n n Difrakčný obraz proteínu n Odraz a interferencia RTG-žiarenia na periodických štruktúrach (hustota elektrónov) podobne ako svetlo na optických štruktúrach Možnosť identifikovať a zmerať medziatómové vzdialenosti v kryštáloch Kryštalizované proteíny – možnosť učiť ich štruktúru – prevrat vo farmácii

Urýchľovače n n n Fermilab (Illinois) n Vyšetrovanie atómových jadier Čím vyššia energia, tým menšia vlnová dĺžka a tým vyššie rozlíšenie Energie v ráde 1 -100 Me. V umožňujú sledovať nukleóny Energie v ráde 100 Ge. V – v súčasnosti sa stavajú kvarky