Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Молекулярные и атомные пучки

Молекулярные и пучки (далее М) направленные потоки молекул или движущихся в вакууме практически без столкновений друг с другом и с молекулами остаточных газов. М. и а. п. позволяют изучать свойства отдельных частиц, пренебрегая эффектами, обусловленными столкновениями, кроме тех случаев, когда сами столкновения являются объектом исследований.

  Первый эксперимент с пучком был осуществлен в 1911 французским ученым Л. Дюнуайе, который продемонстрировал прямолинейный пролет в вакууме . В дальнейшем эти эксперименты были продолжены О. Штерном с сотрудниками в Гамбурге (1929), которые использовали М. и а. п. для измерения скорости молекул и эффективных сечений их соударений друг с другом, а также для исследования явлений, обусловленных электронными спинами и моментами ядер (см. Ядро атомное). В 1937 И. Раби использовал М. и а. п. в изобретенном им резонансном методе, который вначале применялся для измерения моментов ядер (1937—40), а в дальнейшем стал основным методом радиоспектроскопии, позволившим измерить с большой точностью фундаментальные характеристики молекул, и ядер (Н. Рамзей и др.).

  Источник, в котором формируются М. и а. п., представляет собой камеру, соединенную с высоковакуумным объемом при помощи отверстия в тонкой стенке или узкого капилляра в толстой стенке. Исследуемые молекулы или вводятся в камеру источника в виде газа или пара при давлении несколько мм рт. ст. Для формирования М. и а. п. давление газа в источнике должно быть достаточно малым, чтобы средняя длина l свободного пробега частиц внутри источника была равна или несколько больше диаметра соединительного отверстия. В этом случае частицы вылетают из источника независимо друг от друга. Для капилляра длина l должна быть соизмерима также с длиной капилляра. Чрезмерное увеличение l за счет уменьшения давления в источнике, не улучшая существенно свойств М. и а. п., уменьшает их интенсивность. Для увеличения интенсивности пучков применяют источники с несколькими отверстиями или капиллярами, расстояние между которыми должно быть несколько больше их диаметра. Соударения с частицами остаточного газа разрушают М. и а. п. тем быстрее, чем хуже вакуум. Длина М. и а. п. в идеальном вакууме была бы чрезвычайно велика, т. к. возможны были бы только соударения "догона".

  Молекулярное взаимодействие. Метод М. и а. п. дает возможность детально изучать акт столкновения между двумя частицами, в отличие от и газодинамических методов, в которых из-за множественных столкновений частиц друг с другом наблюдаются лишь усредненные эффекты.

  В некоторых из этих экспериментов измеряются эффективные сечения упругих и неупругих соударений частиц, движущихся под разными углами и с разными скоростями. В др. экспериментах наблюдаются реакции между частицами и изучается угловое и энергетическое распределение продуктов реакции (Лестер, 1971; Дж. Росс, 1966; Р. Дж. Гордон и др., 1971). Типичный эксперимент второго рода показан на рис. 1. вылетают из источника в вакуумную камеру, где они сталкиваются с двухатомными молекулами щелочного металла, например К2. Угловое распределение продуктов реакции измеряется с помощью с поверхностной ионизацией (горячие нити и ). Т. к. одинаково чувствителен к частицам 2 и , а — менее чувствителен к , то, комбинируя оба можно различать эти молекулы. Иногда М. и а. п. предварительно поляризуют или, наоборот, измеряют появляющуюся поляризацию. В некоторых экспериментах исследуется возбуждение колебательных уровней энергии у продуктов реакции.

  Резонансные эксперименты (метод Раби). Частицы, вылетая из источника в вакуум (13,3 мн/м2 или 10-7 мм рт. ст.), пролетают через неоднородное поле, создаваемое А (рис. 2). Неоднородное поле А искривляет их траектории, что обусловлено взаимодействием их моментов с неоднородным полем. Далее частицы пролетают через коллиматор и попадают в область где происходит компенсация искривления траектории в неоднородном поле, создаваемом В. Конфигурация поля В в точности противоположна конфигурации поля А. Для индентификации молекул их ионизируют (электронным ударом) и пропускают через масс-спектрометр, после чего они регистрируются электронным умножителем, соединенным с фазочувствительным Плавно изменяя частоту n колебаний электромагнитного поля в зазоре С, создающего однородное поле, измеряют интенсивность пучка, регистрируемого Если частота n удовлетворяет боровскому условию:

n = (E2E1)/h,     (1)

где h — Планка постоянная, то молекулы под действием электромагнитного поля, возбуждаемого в резонаторе Р, могут переходить из состояния с энергией E1 в состояние с энергией E2 и обратно.

  Если по свойствам состояние E1 отличается от состояния E2, то поле В после перехода молекулы обычно компенсирует отклонение, вызванное полем А, не для всех молекул пучка; часть молекул, испытавшая переход E1 ® E2, движется по траектории, показанной пунктиром (рис. 2). При выполнении условия (1) интенсивность, регистрируемая имеет минимум. График зависимости интенсивности от частоты представляет собой радиочастотный спектр частиц. Зная резонансную частоту из условия (1), можно определить уровни энергии молекул (см. Магнитный резонанс).

  Метод параэлектрического резонанса аналогичен методу резонанса за исключением того, что изменения траектории обусловлены взаимодействием электрических моментов молекул с неоднородными электрическими полями, а квантовые переходы между ними вызваны колебаниями электрического поля в резонаторе. Интенсивность пучка может быть увеличена за счет использования 4-полюсных или 6-полюсных электродов, создающих пространственную фокусировку пучка. Применяется также сочетание обоих методов, например однородное постоянное электрическое поле используют в экспериментах с резонансом, а однородное поле в опытах с параэлектрическим резонансом (К. Мак-Адан, Н. Рамзей и др., 1972).

  Эксперименты с и параэлектрическим резонансами в М. и а. п. дали большое количество информации о строении молекул, и ядер. Этим методом были измерены спины ядер, и электрические квадрупольные моменты стабильных и радиоактивных ядер. В частности, был обнаружен электрический квадрупольный момент дейтрона, что впервые указало на существование тензорных сил между элементарными частицами. Была измерена с высокой точностью тонкая структура спектров, в результате чего в экспериментах с был открыт Лэмбовский сдвиг, послуживший источником серии революционных теоретических открытий в квантовой электродинамике. Измерения сверхтонкой структуры спектров дали первые указания на аномальность момента электрона, которая впоследствии была измерена непосредственно. В экспериментах с М. и а. п. были осуществлены два независимых измерения постоянной тонкой структуры и получено пока единственное доказательство существования у ядер электрических октупольных моментов. Резонансные эксперименты с М. и а. п. позволили измерить вращательные моменты и электрические дипольные моменты молекул, энергию взаимодействия ядерных моментов с вращательными моментами молекул, зависимость электрических и свойств от ориентации молекул; определить квадрупольные моменты молекул, энергию межъядерных взаимодействий в молекулах и т. д. Частота колебаний, соответствующая линиям сверхтонкой структуры резонанса в М. и а. п., является основой для определения секунды в пассивных стандартах частоты (см. Квантовые стандарты частоты, Квантовые часы).

  Возможность пространственной фокусировки М. и а. п., содержащих частицы в определенных энергетических состояниях при помощи неоднородных электрических или полей, позволила использовать М. и а. п. для накопления частиц в состояниях с более высокой энергией (т. е. для создания инверсии населенностей), что необходимо для осуществления мазера. Первый мазер был осуществлен на пучке молекул аммиака (см. Молекулярный генератор). Мазер на пучке широко использовался как для исследования так и для создания активного квантового стандарта частоты.

  Лит.: Смит К. Ф., Молекулярные пучки, пер. с англ., М., 1959; Рамзей Н., Молекулярные пучки, пер. с англ., М., 1960; Kusch ., Huges . ., Atomic and molecular beam spectroscopy, в кн.: Handbuch der Physik, Hrsg. von . Flügge, Bd 37, 1, ., (u. a.), 1959; Zorn J. ., English T. ., Methods of experimental physics, v. 3, . ., 1973.

  Н. Ф. Рамзей (США).



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 25.06.2024 12:41:05