Дифракция атомов и молекул (от лат. diffractus - разломанный, преломлённый) - рассеяние пучка молекул
на частицах газа или на поверхности твёрдого тела с немонотонной зависимостью
интенсивности рассеяния от его направления. Определяется потенциалом взаимодействия
и распределениями по начальным и конечным состояниям рассеиваемых и рассеивающих
объектов. Д. а. и м.- квантовомеханич. явление, включившее в себя упругие и
неупругие компоненты.
Д. а. и м. открыта в 1928-30
О. Штерном (О. Stern) и И. Эстерманом (I. Estermann) в экспериментах по рассеянию
пучков Ne, Не, D2, HD, H2, D и H на поверхности щёлочно-галоидных
кристаллов и явилась дополнит. подтверждением [к открытию в 1927 К. Дэвиссоном
(С. Davisson) и Л. Джермером (L. Germer) дифракции электронов] реальности
волн де Бройля. Длина волны де Бройля
для частиц с массой т и кинетич. энергией
определяется ф-лой
, Для молекул лёгких газов тепловой энергии (десятки мэВ)
составляет ок. 1
.
Близостью величины
к характерным межатомным расстояниям в молекулах и твёрдых телах и объясняется
возникновение Д. а. и м. (см. Дифракция волн, Дифракционная решётка).
В 1950-60-х гг. интерес
к исследованию рассеяния газов разл. мишенями, и в частности к изучению Д. а.
и м., возрос. Эти исследования стимулировались проблематикой аэродинамики разреженных
газов, а благодаря успехам вакуумной техники появились новые эксперим. возможности
их проведения. В ранних исследованиях пучки молекул получали с помощью тепловых
источников и затем их монокипетизировали в механических либо монокристальных
монохроматорах. В совр. технике используются сверхзвуковые молекулярные потоки
с Маха числом ок. 10, интенсивность и монокинетичность к-рых на порядки
превышают получаемые прежними методами (см. Сверхзвуковое течение, Молекулярные
и атомные пучки).
Для изучения рассеяния атомных или молекулярных потоков (рис. 1) монокристаллич. (или газовую) мишень (1), играющую роль дифракц. решётки, помещают в камеру (2), в к-рой поддерживается высокий вакуум (вакуум необходим для устранения паразитного рассеяния на остаточном газе и его адсорбции на поверхности монокристалла). На мишень направляют узкий молекулярный пучок (3). Распределение интенсивности рассеянных пучков в пространстве измеряют с помощью детектора (6). Для создания условий Д. а. и м. (см. Брэгга - Вульфа условие) изменяют взаимную ориентацию молекулярного пучка, мишени и детектора. Упругие и неупругие составляющие в рассеянных потоках регистрируются, напр., с помощью времяпролётного анализатора распределения частиц по скоростям.
Рис. 1. Схема экспериментальной
установки для наблюдения дифракции атомов и молекул: 1 - монокристаллическая
(или газовая) мишень; 2 - камера рассеяния; 3 - падающий сверхзвуковой
молекулярный пучок; 4 - камера формирования молекулярного пучка; 5 - направления откачки; 6 - детектор, объединённый с анализатором скоростей
частиц; - углы
соответственно падения и рассеяния; 7 - сверхзвуковое сопло; 8 - коническая
щель.
Особенности Д. а. и м.
в сравнении с дифракцией др. волновых объектов (электронов, нейтронов, фотонов
и т. д.) связаны с наличием собств. линейного размера дифрагирующих частиц ~1,
с их малой кинетич. энергией, существованием внутр. электронных (а для молекул
ещё и колебательных и вращательных) степеней свободы, возможностью пространственной
ориентации молекулы относительно дифракц. решётки, специфич. особенностей потенциала
взаимодействия.
Д. а. и м., как и др. виды
дифракции, используют для структурных исследований. Наличие большого собств.
размера (сечение рассеяния для атомов Не или H больше, чем сечение нейтрона,
примерно в 1010 раз) обеспечивает малую проникающую способность частиц,
что позволяет исследовать поверхностные структуры, двумерные фазовые переходы,
параметры динамики поверхностной части кристаллич. решётки (Дебая - Уоллера
фактор, дисперсию фононов), явления адсорбции и катализа. Малая кинетич.
энергия частиц недостаточна для инициирования поверхностных хим. реакций, часто
возникающих под действием электронов с энергиями в 20-200 эВ.
При Д. а. и м. взаимодействуют
внеш. электронные оболочки частиц пучка и мишени. T. к. при объединении атомов
в молекулы и кристаллы внеш. оболочки испытывают наиб. деформации, Д. а. и м.
пользуются при изучении этих деформаций. В то же время при определении структурных
амплитуд в др. типах структурного анализа (см. Рентгеновский структурный
анализ, Нейтронография, Электронография) используют атомные факторы, рассчитываемые математически или получаемые экспериментально, к-рые при
рассмотрении явлений Д. а. и м. применить нельзя, т. к. они в этом случае оказываются
разными для разл. хим. соединений. Интерпретация дифракц. исследований часто
проводится с помощью модели жёсткой гофриров. поверхности, характеризуемой амплитудой
гофра А.
Угловая локализация дифракционных
(т. е. связанных с упругим рассеянием) максимумов определяется условием Вульфа
-Брэгга (или условием Лауэ). Для получения соответствующих интенсивностей необходимо
решать дифференц. (Шрёдингера) или интегр. (Липмана - Швингера) ур-ния дифракц.
задачи. Рассчитывать интенсивности дифракц. максимумов необходимо, напр., для
нахождения распределения электронной плотности по поверхности
кристалла путём сопоставления вычисленных и экспериментально найденных интенсивностей.
При решении с помощью Д.
а. и м. структурных задач возникают те же проблемы (напр., многократности рассеяния,
фазовая проблема), что и в др. дифракц. структурных методах, используются в
осн. те же приёмы решения (метод последоват. приближения, метод функций Паттерсона
и т.п.). Особенности Д. а. и м. потребовали разработки и новых приёмов. Так,
температурный фактор Дебая - Уоллера приходится вычислять с учётом рождения
или гибели фонона, достаточно большого времени пребывания частиц в зоне действия
потенциала, размеров рассеиваемых частиц при рассмотрении её взаимодействия
одновременно с неск. атомами решётки (вследствие дальнодействия потенциала).
Для Д. а. и м. закон сохранения
энергии с учётом неупругих взаимодействий имеет вид
где
- импульсы рассеянной и падающей молекулы соответственно; Ф - энергия рождения
или гибели фононов, В - изменение энергии внутр. степеней свободы молекулы
(при Д. а. и м. на поверхности в осн. изменяется вращат, энергия). Закон сохранения
импульса при этом выражается ур-нием
где
- соответственно векторы, связанные с рождениями и гибелью фононов и изменением
внутр. (вращат.) энергии молекулы,
- вектор обратной решётки. Экспериментально установлено, что из двух возможных
каналов изменения вращат. энергии молекулы - за счёт её собств. поступат. энергии
и за счёт взаимодействия с фононами кристаллич. поверхности - сечение первого
из них оказывается больше.
Для упрощения изучения
динамики и структуры решётки целесообразно использовать потоки "бесструктурных"
частиц, напр. атомов Не. В однофононном приближении выражения (1) и (2) приобретают
вид
(
- частота фонона). Ф-лы (3) и (4) отражают переход поступат. энергии молекулы
в колебат. энергию кристаллич. решётки.
В соответствии с флуктуац.
теорией эл--магн. взаимодействия дальнодействующая притягивающая (дисперсионная)
часть потенциала U(z)удовлетворительно описывается ф-лой
(z - координата, нормальная
к поверхности кристалла). Константы С, полученные с помощью дифракц.
экспериментов, хорошо соответствуют результатам вычислений (когда они возможны),
использующих зависимость поляризуемости и диэлектрич. проницаемости от комплексной
частоты.
При перекрытии электронных
оболочек подлетающей частицы и частиц поверхности твёрдого тела происходит их
отталкивание друг от друга, причём крутизна потенциальной кривой в области отталкивания
зависит от координаты в плоскости решётки и определяется периодически изменяющейся
электронной плотностью поверхности, к-рая является, т. о., дифракц. решёткой
для частиц пучка. Микроскопич. теория этой части взаимодействия ещё мало разработана.
Чёткость картин дифракции на щёлочно-галоидных кристаллах объясняется различием
радиусов анионов и катионов в них. При Д. а. и м. на плотноупакованных гранях
металлов с малыми миллеровскими индексами чётких максимумов нет, т. к. электронная
плотность поверхности в этом случае нивелирована коллективизированными электронами;
поэтому для наблюдения Д.
а. и м. на металлах используют ступенчатые вицинальные грани с большими индексами
[Cu (117), Pt (997)].
Рис. 2. Картины дифракции
пучка гелия на адсорбционных структурах водорода на поверхности Ni(100);
0,63
, температура
поверхности 100K, угол падения 25°, рассеяние в плоскости падения. По нижней
оси абсцисс отложен угол рассеяния, штрихи относятся к индексам обратной решётки
в соответствии с приведёнными обозначениями.
- степень заполнения поверхности адсорбированным водородом.
Методами Д. а. и м. изучены
поверхностные структуры щёлочно-галоидных и др. ионных кристаллов (NiO, MgO),
полупроводников (Si, CaAs), графита, TaS2, кремниевых и углеродных
покрытий платины, карбида вольфрама, металлич. монокристаллов (Au, Cu, Ag) и
разл. адсорбц. слоев на них. На рис. 2 приведена картина, полученная при дифракции
атомов Не на адсорбц. слоях водорода на поверхности Ni (100). На основе приведённых
картин Д. а. и м., относящихся к разл. степеням
адсорбц. покрытия поверхности, фиксируются концентрационные фазовые переходы
в решётке адсорбиров. водорода и, в частности, появление
при
0,8 сверхрешётки
со структурой
.
Исследования картин дифракции на чистой поверхности Ni (110) и той же поверхности,
покрытой адсорбиров. водородом, позволили установить, что амплитуда гофра А изменяется от 0,05 до 0,25
.
При первых исследованиях
Д. а. и м. на поверхностях кристаллов Штерном, Эстерманом, P. Фришем (Frisch),
Ф. Кнауэром (F. Knauer) был обнаружен ещё один квантовый эффект - селективная
адсорбция (CA), состоящая в том, что на дифракц. картине возникают дополнит.
максимумы и минимумы. Согласно Дж. Леннард-Джонсу (J. Lennard-Jones) и Э. Девонширу
(E. Devonshire) (1936), CA объясняется захватом в слабо связанные поверхностные
состояния части дифрагирующих частиц, к-рые удовлетворяют определ. условиям
резонанса. В этом состоянии частицы теряют поступат. степень свободы по нормали
к поверхности и продолжают двигаться параллельно поверхности с энергией
где -
энергия связанного состояния (неск. мэВ). Условием для CA является выполнение
соотношения
где
- z-проекция волнового вектора дифрагировавшей частицы. T. к. вектор обратной
решётки G=G(m, n), где т, п - порядок дифракц. рефлексов, дифракц.
картина при CA содержит дополнит. экстремумы порядка m, n (на это указывает
индекс G у вектора A). T. о., угл. локализация особенностей CA на дифракц.
картинах при учёте всех остальных геом. параметров эксперимента позволяет вычислить
энергетич. уровни
,
а также нек-рые из параметров потенциала взаимодействия U(z)дифрагирующих
частиц и поверхности
кристалла. Если представить U(z)в виде потенциала Морзе:
[-
масштабный множитель обратной решётки, ze - положение дна
потенц. ямы (не связанное с
),
D - глубина ямы], то для
получим соотношение
Ниже приведены энергетич.
параметры ( и
D в мэВ) поверхностей LiF и графита:
|
|
|
|
|
||
LiF (100) |
-8,10 |
- 5,59b0,1 |
- 2,00b0,1 |
- |
||
Графит (001) |
-15,55 |
-11,62b0,12 |
- 5,38b0,12 |
-1,78b0,12 |
||
Погрешности значений
являются следствием в осн. разброса частиц по скоростям, конечности апертур
источника молекул и детектора, а также ширины уровня
:
, где
-
время жизни частицы в адсорбиров. состоянии. Для определения Г или
с помощью CA требуется точность измерений, на порядок превышающая существующую.
Интерференционно-дифракц.
явления наблюдаются также при рассеянии молекулярных пучков на газовых мишенях.
На основе изучения взаимодействия пересекающихся молекулярных пучков возникла
новая область исследований - столкновительная спектроскопия. При измерении пространственной
и энергетич. зависимостей сечений столкновений установлены особенности потенциала
взаимодействия: во мн. случаях он оказывается многопараметрическим, как правило,
неизотропен, немонотонен, часто со мн. экстремумами (см. также Молекулярные
и атомные пучки).
Изучение поверхностных
структур и динамики решётки с помощью Д. а. и м., а также столкновит. спектроскопия
дают уникальную информацию, недоступную др. методам.
Ю. H. Любимов
Понятие же "физического вакуума" в релятивистской квантовой теории поля подразумевает, что во-первых, он не имеет физической природы, в нем лишь виртуальные частицы у которых нет физической системы отсчета, это "фантомы", во-вторых, "физический вакуум" - это наинизшее состояние поля, "нуль-точка", что противоречит реальным фактам, так как, на самом деле, вся энергия материи содержится в эфире и нет иной энергии и иного носителя полей и вещества кроме самого эфира.
В отличие от лукавого понятия "физический вакуум", как бы совместимого с релятивизмом, понятие "эфир" подразумевает наличие базового уровня всей физической материи, имеющего как собственную систему отсчета (обнаруживаемую экспериментально, например, через фоновое космичекое излучение, - тепловое излучение самого эфира), так и являющимся носителем 100% энергии вселенной, а не "нуль-точкой" или "остаточными", "нулевыми колебаниями пространства". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
|
![]() |