Дети, как известно, любят пускать пузыри. Ученые, при всей своей внешней солидности во многом остающиеся в душе детьми, также не чужды этой забаве. Но, конечно, они не могут позволить себе просто "любоваться пузырьками"... Недавно американские исследователи разработали новый метод исследования пузырьков, образующихся при попадании электронов в жидкий гелий.

При том, что пузырьки, в отличие от, например, элементарных частиц, известны человечеству с незапамятных времен, нельзя сказать, что все в этой области изучено "от и до". Например, пока не существует детального описания такого эффекта, как сонолюминесценция - излучение жидкостью света под действием мощной ультразвуковой волны (см. подробнее в статье про сонолюминесценцию ). Существование больших давлений и температур в центре схлопывающихся пузырьков даже заставило некоторых ученых пытаться реализовать в таких условиях холодный термоядерный синтез ).

Рис. 1. Равновесная форма пузырька в жидком гелии для электрона, находящегося в основном (1S) и возбужденном (1P) состоянии, при различных давлениях.

Еще одно интересное явление - образование наноразмерных пузырьков в жидком гелии при инжекции электронов в гелий. Пузырек возникает из-за отталкивания между электроном и атомами гелия (его электронами), обусловленного принципом запрета Паули. Радиус образующегося пузырька составляет при нормальных условиях около 2 нанометров. Находящийся в пузырьке электрон - это электрон в сферической потенциальной яме глубиной около 1 эВ, и исследование такой "модельной" системы представляет определенный интерес (впервые на подобную наносистему обратили внимание еще до создания твердотельных наноструктур). Однако нельзя сказать, что эксперименты с нанопузырьками в гелии - дело нехитрое: даже исследование поглощения света в такой системе представляет собой сложную задачу, а уж говорить о том, чтобы непосредственно наблюдать форму пузырьков (рис.1), обусловленную симметрией волновой функции электрона, и вовсе не приходится.

Но ученым кажется недостаточным опираться только на измерения, дающие информацию об энергиях перехода электрона из основного в первое возбужденное состояние. Хочется удостовериться, действительно ли пузырек, в котором электрон находится в возбужденном состоянии (1P пузырек), имеет такую форму, как им представляется. Раз рассмотреть пузырек невозможно, значит, остается последовать примеру "нормальных героев", которые, как известно, "всегда идут в обход".

Объем и форма пузырька, очевидно, должны зависеть от давления (см. рис.1). Причем существует критическое значение "отрицательного давления", при превышении которого будет происходить взрывное расширение пузырьков. Для гантелеобразных 1P пузырьков и для шарообразных 1S пузырьков критические давления будут различаться, и существует диапазон давлений, в котором 1S пузырьки еще являются устойчивыми, а 1P пузырьки устойчивыми уже не являются. Именно на этом решили сыграть американские ученые, предложив методику, позволяющую фиксировать наличие пузырьков гантелеобразной формы в жидкости [1].

Создать критические условия в жидкости можно с помощью ультразвука, представляющего собой волны сжатия - разряжения. Американские исследователи использовали полусферический источник ультразвуковых волн, и "наблюдали" за проходящими через фокус (см. рис. 2) пузырьками, образованными при инжекции электронов из вольфрамовой иглы (протенциал на игле - от -500 до -1000 В, на внутренней стенке пьезоэлектрического преобразователя - нулевой потенциал). А именно, они регистрировали рассеяния излучения He-Ne лазера на неоднородностях cреды (пузырьках). Когда ультразвук достаточно мощен, чтобы создать в фокальной области критические условия для взрывного расширения пузырьков, послежнее можно зафиксировать по резкому увеличению интенсивности рассеянного света.

Рис. 2. Схема экспериментальтной установки.

Ученые провели две серии экспериментов: когда в гелии имелись только шарообразные 1S пузырьки, и когда с помощью CO₂ лазера происходила возбуждение 1P пузырьков. В первом случае, как и следовало ожидать, кавитация возникала при большей мощности ультразвука, критические давления для двух случаев хорошо совпадали с расчетными. Таким образом, было экспериментально продемонстировано существование в жидкости пузырьков гантелеобразной формы.

Впрочем, вопрос о том, кто испытывает большее счастье - добившиеся результата ученые или дети, любующиеся пузырьками, переливающимися всеми цветами радуги, -еще ждет своего исследователя.

1. Denis Konstantinov and Humphrey J.Maris. Phys.Rev.Lett., v.90, 025302 (2003).

Е.Онищенко.