Поверхность - граница раздела между двумя контактирующими средами. В разл.
ситуациях употребляются также термины: "свободная, или атом-но-чистая, П."
(П. твёрдого тела в вакууме, чистая от загрязнений), "покрытая П." (П. твёрдого
тела с адсорбированной на ней определённой плёнкой), "реальная П." (покрытая в результате пребывания
в атмосфере плёнкой неизвестной природы), "межфазная граница", "контакт"
(последний термин обычно относится к границе между конденсиров. средами).
В каждой из контактирующих сред на нек-рое
расстояние от П. простирается слой, в к-ром элементный состав и хим. состояние,
атомная и электронная структуры и, следовательно, динамич., электронные,
магн. и др. свойства вещества существенно отличаются от его свойств в объёме.
Толщина этого слоя зависит от природы соприкасающихся сред и внеш. условий
и определяется характерной длиной, присущей рассматриваемому физ. явлению
(см. Размерные эффекты, Квантовые размерные эффекты). Напр., толщина
слоя со специфич. электронными свойствами определяется длиной экранирования
электрич. поля в среде и изменяется от 10-8 см в металлах до
величин 10-5 - 10-4 см и более в полупроводниках,
плазме и электролитах (см. Дебаевский радиус экранирования).
Атомная структура поверхностного слоя.
Специфика атомной структуры вблизи свободной П. твёрдых тел проявляется
в т. н. поверхностных релаксации и реконструкции. При релаксации структура
атомных плоскостей, параллельных П., сохраняется такой же, как в объёме,
но межплоскостные расстояния у П. изменяются. Согласно данным, полученным
методом дифракции медленных электронов, изменение (в большинстве
случаев уменьшение) межплоскостного расстояния у П. металлов обычно не
превышает неск. % и охватывает, быстро затухая, лишь 2 - 3 приповерхностные
плоскости.
При реконструкции симметрия решётки в
приповерх-ностной области резко отличается от таковой в объёме (рис.).
Это явление характерно в первую очередь для кристаллов с ковалентной связью
(напр., Si и Ge). Вследствие сильно анизотропного характера ковалентного
взаимодействия нарушение периодичности решётки при образовании П. влечёт
за собой коренную перестройку геометрии межатомных связей у П. Обнаружена
также реконструкция П. ряда переходных и благородных металлов. Хотя сам
факт реконструкции установлен достоверно, построение детальных моделей
поверхностной решётки затруднено ввиду сложности однозначной расшифровки
электронограмм (см. Реконструкция поверхности).
Атомная структура кристалла с ковалентными связями (двойные линии). Соседние атомы поверхностного слоя (светлые кружки) образуют связи между собой, объединяясь в димеры. При этом на поверхности период решётки равен 2d (реконструкция 2 х 1). Кроме того, межплоскостное расстояние уменьшается на величину (релаксация).
Особенности атомной структуры характерны
также для границ раздела между двумя конденсиров. средами. В пограничном
слое жидкости (толщиной ~ 10),
примыкающем к П. кристалла, имеется повышенная степень порядка по сравнению
с ближним порядком в объёме жидкости (см. Дальний и ближний порядок ).На
границе электрод - электролит наблюдается преимуществ. ориентация дипольных
молекул, образуется слой, экранирующий электрич. поле (см. Двойной электрический
слой). Протяжённость и строение слоя с особой структурой вблизи контакта
двух твёрдых тел определяется энергией взаимодействия контактирующих атомов
или молекул, соотношением периодов кристаллич. решёток и их упругими свойствами
(см. Эпитаксия, Гетеропереход). Структура решёток, образуемых на
П. твёрдого тела адсорбиров. частицами, определяется конкуренцией между
атомным потенциальным рельефом П. и взаимодействием между частицами в адсорбиров.
плёнке (см. Адсорбция).
Поверхностный слой является квазидвумерной
системой, в к-рой упорядочение имеет особенности. На П. происходят специфич.
структурные фазовые переходы, отражающиеся в изменении различных физ--хим.
свойств П.
Важными разновидностями П. раздела в твёрдых
телах являются границы между кристаллич. зёрнами разл. ориентации (межзёренные
границы), определяющие мн. характеристики поликристаллич. материалов,
а также границы между доменами (доменные стенки)в сплавах, магнетиках,
сегнетоэлектриках и
др. объектах, однородных по хим. составу.
Электронные свойства поверхности
отличаются от объёмных, в частности наличием электронных поверхностных
состояний. Соответствующие им волновые функции электронов экспоненциально
затухают при удалении от П. Изменение концентрации электронов у П. полупроводников
(вследствие их перехода в поверхностные состояния или от одной контактирующей
среды к другой) приводит к изгибу энергетич. зон, на чём основано выпрямление
тока на контактах металл - полупроводник (см. Шоттки барьер)и р
- п-переходах. Приповерхностный слой может иметь проводимость, значительно
превышающую объёмную, а при достаточно сильном изгибе зон изменяется сам
характер проводимости и возникает инверсионный слой .Вследствие
малой толщины проводящего слоя электроны в нём образуют квазидвумерную
систему. В таких слоях может достигаться высокая подвижность электронов
[105 см2/(В х с)], и их использование в микроэлектронных
приборах позволяет повысить быстродействие и уменьшить рассеиваемую мощность.
В разрешённых энергетич. зонах у П. характерные
пики плотности электронных состояний обычно уже, чем в объёме, ввиду меньшего
числа соседей у поверхностных атомов (см.
Плотность состояний ).Коллективные
электронные возбуждения (плазмоны)на П. имеют меньшую энергию,
чем в объёме (в простейшем случае - враза),
и проявляются, напр., в спектрах потерь энергии электронов, рассеянных
в кристаллах.
Распределение электронов вокруг ионных
остовов поверхностных атомов асимметрично, что приводит к наличию нек-рого
дипольного момента. Связанный с этим двойной электрич. слой вносит существенный
вклад в поверхностный потенциальный барьер (см.
Работа выхода ).Электронная
структура чужеродных атомов и молекул, адсорбируемых на П., также существенно
изменяется. Напр., они могут поляризоваться, приобретать нек-рый электрич.
заряд, что приводит к изменению характера их взаимодействия. Вследствие
этого внутримолекулярные связи могут быть настолько ослаблены, что происходит
диссоциация адсорбиров. молекул. Эти явления лежат в основе гетерогенного
катализа. В процессе десорбции может происходить передача электронов от
десорбирующейся частицы к П. или в обратном направлении (см. Поверхностная
ионизация).
Влияние П. на волновые процессы. У П. наблюдается особое поведение волн разной природы, происходит преломление и отражение волн, возникают поверхностные волны (упругие, капиллярные, электромагнитные), амплитуда к-рых убывает при удалении от П., а скорость направлена вдоль П. (см. Поверхностные акустические волны, Волны на поверхности жидкости). Поверхностные акустич. волны нашли практич. применение в акустоэлектронике.
Атомная динамика П. Для характеристики тепловых колебании поверхностных атомов на языке квазичастиц вводится понятие поверхностных фононов ,отличающихся от объёмных фононов законом дисперсии (их частоты могут, напр., попадать в зоны, запрещённые для объёмных фононов; см. Колебания кристаллической решётки ).По температурной зависимости интенсивности рассеянных пучков при дифракции мед-лепных электронов найдено, что среднеквадратичная амплитуда тепловых колебаний поверхностных атомов на границе твёрдое тело - вакуум примерно в 1,5 - 2 раза превышает объёмное значенпе.
Оптические свойства П. Соотношения между амплитудой, фазой и поляризацией падающей, отражённой и преломлённой на П. световых волн определяются Френеля формулами. У П. образуются связанные состояния фотонов с поверхностными оптич. фононами, плазмонами и др. дипольно-активпыми квазичастицами, наз. поверхностными поляритонами. Анализ их характеристик лежит в основе одного из перспективных оп-тич. методов исследования П. Интенсивность комбинационного рассеяния, света на молекулах, адсорбированных на металлах, в ряде случаев значительно выше (в 104 - 107 раз), чем на тех же молекулах в объёмной фазе (гигантское комбинационное рассеяние). Это обусловлено усилением эл--магн. поля геом. неоднородностямп П., а также эфф. передачей энергии от поверхностных электронных возбуждений колебательным модам адсорбиров. молекул. При пересечении П. заряж. частицами наблюдается эл--магн. переходное излучение.
Магнитные свойства П. Теория предсказывает отличие намагниченности поверхностного слоя, а также температуры магн. фазовых переходов на П. от соответствующих объёмных значений. Эксперим. исследования магнетизма П. осуществляются методами дифракции медленных поляризов. электронов, а также с помощью квантовых магнитометров, чувствительность к-рых достаточна для измерения намагниченности отд. монослоёв вещества.
Массоперснос на П. происходит при достаточно низких темп-pax быстрее, чем в объёме, поскольку энергия активации поверхностной диффузии вследствие большей свободы перемещений частиц обычно в 2 - 5 раз меньше, чем объёмной диффузии (коэф. диффузии зависит от атомной структуры П. и различен для разных граней кристалла). В процессах поверхностного массо-переноса проявляются коллективные эффекты, обусловленные взаимодействием поверхностных частиц и их скоррелиров. движением.
Поверхностная энергия. П. обладает
нек-рой избыточной поверхностной энергией, т. к. образование П. требует
разрыва или перестройки связей между атомами или молекулами в конденсиров.
среде. Работа образования единицы площади П. равна уд. поверхностной свободной
энергии (поверхностному натяжению). При фазовых переходах 1-го рода, когда
в однородной системе начинает выделяться новая фаза, необходимость затраты
энергии на образование межфазной П. приводит к явлениям перегрева или переохлаждения
(см. Кипение, Кристаллизация).
Равновесное состояние системы конечных
размеров определяется (при пост. объёме) минимумом суммарной свободной
энергии, в к-рую вносит вклад как объём, так и П., причём относительный
вклад П. изменяется обратно пропорц. размеру объекта. Уменьшение поверхностной
свободной энергии, происходящее за счёт тех или иных изменений П. (сокращения
её площади, понижения энергии в результате насыщения свободных связей поверхностных
атомов и молекул и т. д.), служит движущей силой таких поверхностных явлений,
как адсорбция, смачивание, растекание, адгезия и коге-зия, коагуляция
акустическая, образование капель, капиллярные явления и др.
Эти явления находят практич. применение в разнообразных технологиях. Напр.,
используется то обстоятельство, что в результате адсорбции изменяются как
свойства адсорбиров. частиц (см. выше), так и свойства подложки: работа
выхода и определяемые ею эмиссионные характеристики, скорость испарения
вещества подложки, хим. активность П. по отношению к разл. реакциям. В
веществах, у к-рых адсорбция уменьшает поверхностную энергию, облегчается
образование дефектов, тем самым понижается прочность твёрдых тел (см. Ребиндера
эффект). Адсорбция стимулирует также образование эмульсий и пен (см.
Поверхностно-активные
вещества).
Экспериментальные методы, дающие информацию о поверхностных явлениях на атомном уровне, разнообразны. Это автоэмиссионная микроскопия (см. Ионный проектор ),дифракция электронов, инфракрасная спектроскопия, ионная спектроскопия, комбинационное рассеяние света, оже-спектроскопия, сканирующая туннельная микроскопия, термодесорбц. спектроскопия, фотоэлектронная спектроскопия, электронная микроскопия, электрон-фотонная спектроскопия, эллипсометрия и др. Эти методы позволяют решать мн. практически важные задачи в области электроники, роста кристаллов, вакуумной техники, катализа, повышения прочности материалов и их обработки, борьбы с коррозией и трением и т. д. Т. к. роль П. особенно велика для частиц малых размеров и тонких плёнок, то исследование поверхностных явлений приобрело особо важное значение для развития микроэлектроники.
А. Г. Наумовец
Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.
В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.
Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.