Молекулярные и атомные пучки. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Молекулярные и атомные пучки - направленные потоки молекул или атомов, движущихся в вакууме практически без столкновений друг с другом и с молекулами остаточных газов. M. на. п. позволяют изучать свойства отд. частиц, пренебрегая эффектами, обусловленными столкновениями, кроме тех случаев, когда сами столкновения являются объектом исследований. Первый эксперимент с атомным пучком был осуществлён в 1911 Л. Дюнуайе (L. Dunoyer), к-рый продемонстрировал прямолинейный пролёт в вакууме атомов Na. В дальнейшем эксперименты были продолжены в 1929 О. Штерном (О. Stern), к-рый использовал M. и а. п. для измерения скорости молекул и эфф. сечений их соударений друг с другом, а также для исследования явлений, обусловленных электронными спинами и магн. моментами ядер. В 1937 И. Раби (I. Rabi) использовал M. и а. п. в изобретённом им резонансном методе измерения магн. моментов ядер, к-рый в дальнейшем стал одним из осн. методов радиоспектроскопии, позволившим измерить с большой точностью фундам. характеристики молекул, атомов и атомных ядер [H. Рамзей (N. F. Ramsey) и др.].

Источник, в к-ром формируются M. и а. п., представляет собой камеру, соединённую с высоковакуумным объёмом (камера взаимодействия) при помощи отверстия в тонкой стенке (или узкого капилляра в толстой стенке). Исследуемые частицы вводятся в источник в виде газа или пара при давлении неск. мм рт. ст. Для формирования M. и а. п. давление газа в источнике должно быть достаточно малым, чтобы ср. длина l свободного пробега частиц внутри источника была равна или несколько больше диаметра соединит. отверстия. В этом случае частицы вылетают из источника независимо друг от друга. Для капилляра длина l должна быть соизмерима также с длиной капилляра. Рост l за счёт уменьшения давления в источнике уменьшает интенсивность M. и а. п., не улучшая их свойств. Для увеличения интенсивности пучков применяют источники с неск. отверстиями или капиллярами, расстояние между к-рыми должно быть несколько больше их диаметра.

Соударения с частицами остаточного газа разрушают молекулярные и атомные пучки тем быстрее, чем хуже вакуум. Длина M. и а. п. в идеальном вакууме была бы чрезвычайно велика, т. е. возможны были бы только соударения "до-гона". Для получения в камере взаимодействия предельно достижимого вакуума её отделяют от камеры источника ещё одной - буферной камерой, откачиваемой высоковакуумным насосом. Если давление паров исследуемого вещества при комнатной температуре недостаточно велико, его вводят в камеру в форме твёрдых (жидких) образцов и нагревают камеру до температуры, обеспечивающей нужное давление.

Взаимодействие частиц. Метод M. и а. п. даёт возможность изучать акт столкновения между двумя частицами в отличие от хим. и газодинамич. методов, в к-рых из-за множеств. столкновений частиц друг с другом наблюдаются лишь усреднённые эффекты. В нек-рых экспериментах измеряются эфф. сечения упругих и неупругих соударений частиц, движущихся под разными углами и с разными скоростями. В др. экспериментах наблюдаются хим. реакции между частицами и изучается угл. и энергетич. распределение продуктов реакции [Лестер (bester), 1971; Дж. Росс (J. S. Ross), 1966; P. Дж. Гордон (R. J. Gordon) и др., 1971]. Типичный эксперимент 2-го типа показан на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки для исследовавания химических реакций.

Атомы водорода вылетают из источника в камеру, где сталкиваются и вступают в хим. реакцию с двухатомными молекулами щелочного металла, напр. K₂. Угл. распределение продуктов реакции измеряется с помощью детекторов с поверхностной ионизацией (горячие нити Pt и W). T. к. вольфрамовый детектор одинаково чувствителен к частицам K₂ и KOH, а платиновый - менее чувствителен к KOH, то, комбинируя оба детектора, можно различать эти молекулы. Иногда M. и а. п. предварительно поляризуют или, наоборот, измеряют появляющуюся поляризацию. В нек-рых экспериментах исследуется возбуждение колебат. уровней энергии у продуктов реакции.

Резонансные эксперименты (метод Раби). Частицы, вылетая из источника в вакуум (давление р<=1,33^.10^-5Па или 10^-7 мм рт. ст.), пролетают через неоднородное магн. поле, создаваемое магнитом А (рис. 2), к-рое по-разному искривляет их траектории в зависимости от взаимодействия их магн. моментов с неоднородным магн. полем и от их скорости. Далее частицы пролетают через однородное магн. поле, создаваемое магнитом С. В этом поле расположена диафрагма, ограничивающая пучок, и устройство, формирующее эл--магн. поле, частота к-рого w_p может настраиваться на частоту исследуемого энергетич. перехода:

где

- энергии частицы в двух состояниях. Неоднородное поле магнита В, противоположное по направлению полю А, но подобное ему по структуре, разделяет проходящие через него M. и а. п. так, что частицы, испытавшие энергетич. переход

в эл--магн. поле, действующем на них в зазоре магнита С, фокусируются на детектор Д и регистрируются, а

Рис. 2. Схема установки для исследования пучков в радиодиапазоне: 1 - источник пучка; 2 - камера источника; 3 - буферная камера; 4 - прерыватель пучка; 5 - камера взаимодействия; 6 - двухпроводная линия; 7 - диафрагма; Д - детектор пучка.
H₁ - форвакуумный насос, H₂ и H₃ - высоковакуумные насосы.

частицы, не испытавшие перехода, отклоняются в стороны и не попадают на детектор. При w_p = w интенсивность I, регистрируемая детектором, имеет максимум. По величине w определяют уровни энергии молекул.

Для детектирования частиц иногда применяют масс-спектрометр, а для увеличения чувствительности обычно используют прерыватель (модулятор) пучка, помещая его в буферной камере установки на пути пучка в гл. камеру, при этом сигнал от детектора пропускают через синхронный усилитель. Для увеличения интенсивности сигнала I вместо двухполюсных магнитов А и В применяют шестиполюсные.

Если резонансная частота w соответствует радиодиапазону, то эл--магн. поле в зазоре магнита С возбуждают при помощи двухпроводной линии, закороченной па конце. Открытые концы линии соединяют с генератором. Пучок пропускают сквозь пучность магн. поля стоячей волны на расстояние ¹/₂ длины волны этого поля от закороченного конца линии.

Для наблюдения переходов, резонансная энергия к-рых лежит в диапазоне СВЧ, вместо двухпроводной линии применяют объёмный резонатор. M. и а. п. пропускают через отверстия в противоположных стенках резонатора, расположенных так, что частицы пролетают сквозь пучность магн. компоненты СВЧ-поля. Спектральные линии наблюдают периодически, изменяя частоту эл--магн. поля w по "пилообразному" закону (рис. 3).

Рис. 3 . Кривая модуляции частоты ВЧ-поля и форма спектральной линии: a - напряжённость магнитной составляющей поля H в относительных единицах; б - интенсивность спектральной линии в относительных единицах; t - время; w - частота; Dw - ширина спектральной линии.

Ширина спектральных линий Dw определяется временем взаимодействия частиц пучка с эл--магн. полем, т. е. временем их пролёта сквозь пространство, в к-ром действует поле, а также однородностью магн. поля С в области взаимодействия. Одноврем. достижение оптимума по этим параметрам затруднительно, однако уменьшение Dw необходимо для достижения достаточно высокой разрешающей способности установки. Уменьшения Dw достиг H. Рамзей, введя в установку П-образный резонатор (рис. 4). M. и а. п. пропускают сквозь пучности магн. поля резонатора через отверстия вблизи его концов, создавая таким образом две раздельные области взаимодействия пучка с эл--магн. полем. При этом высокая степень однородности поля С должна быть обеспечена только в малых областях взаимодействия. Спектральные линии, наблюдаемые при этом, возникают как результат наложения двух широких спектральных линий, формируемых в областях взаимодействия (рис. 5). Широкий "пьедестал" (пунктир) соответствует времени пролёта частиц пучка через каждую из областей взаимодействия. Узкие линии в ср. части рисунка возникают в результате разности фаз поля за время пролёта частиц между областями взаимодействия. Ширина центр. пика определяется полным временем пролёта частиц через области взаимодействия и между ними.

Рис. 4. Схема установки для исследования пучков в диапазоне СВЧ: 1 - источник пучка; 2 - камера источника; 3 - буферная камера; 4 - прерыватель пучка; 5 - камера взаимодействия; 6 - генератор СВЧ; 7 - П-образный резонатор. H₁ - форвакуумный насос, H₂ и H₃ - высоковакуумные насосы.

Рис. 5. Спектральная линия в П-образном резонаторе. Интенсивность спектральной линии I дана в относительных единицах; Dw -ширина спектрального пика.

Дальнейшего уменьшения Dw можно добиться, увеличивая время взаимодействия частиц с эл--магн. полем, отбором медленных частиц. Однако доля таких частиц в M. и а. п., порождённых источником, находящимся в тепловом равновесии, мала. Эфф. способом уменьшения скорости является сочетание метода M. и а. п. с оптич. ориентацией ядер [А. Кастлер, (A. Kastler), 1950; см. Ориентированные ядра]. Возможности комбинир. методов расширились после появления лазеров. Стало возможным получение интенсивных медленных M. и а. п., лазерное охлаждение, исследования спектров единичных атомов и молекул, основанные на взаимодействии M. и а. п. с излучением лазеров, в частности "пленение" отд. атомов и молекул эл--магн. полем и их длит. хранение в изолир. состоянии.

Метод параэлектрического резонанса аналогичен методу магн. резонанса, за исключением того, что изменения траектории частиц обусловлены взаимодействием электрич. моментов молекул с неоднородными электрич. полями, а квантовые переходы между ними вызваны колебаниями электрич. поля в резонаторе. Интенсивность пучка может быть увеличена за счёт использования четырёхполюсных или шестиполюсных электродов, создающих пространств. фокусировку пучка. Применяется также сочетание обоих методов; напр., однород-

ное постоянное электрич. поле используют в экспериментах с магн. резонансом, а однородное магн. поле в опытах с параэлектрич. резонансом [К. Мак-Адан, (К. McAdan), H. Рамзей и др., 1972].

Эксперименты с магн. и параэлектрич. резонансами в M. и а. п., в т. ч. с применением лазеров, дали большое кол-во информации о строении молекул, атомов и атомных ядер. Этим методом были измерены спины ядер, магн. и электрич. квадрупольные моменты стабильных и радиоакт. ядер (см. Квадрупольный момент ядра ).В частности, был обнаружен электрич. квадру-польный момент дейтрона, что впервые указало на существование тензорных сил между элементарными частицами. Была измерена (с высокой точностью) тонкая структура атомных спектров, в результате чего в экспериментах с атомарным водородом открыт лэмбов-ский сдвиг, послуживший источником серии открытий в квантовой электродинамике. С M. и а. п. были осуществлены измерения пост. тонкой структуры и получено пока единств. доказательство существования у ядер электрич. октупольных моментов. Резонансные эксперименты с M. и а. п. позволили измерить вращательные магн. моменты и электрич. дипольные моменты молекул, энергию взаимодействия ядерных магн. моментов с вращательными магн. моментами молекул, зависимость электрич. и магн. свойств от ориентации молекул, определить квадрупольные моменты молекул, энергию межъядерных взаимодействий и т. д. Частота колебаний, соответствующая линиям сверхтонкой структуры магн. резонанса в M. и а. п., является основой для определения секунды в пассивных стандартах частоты (см. Квантовые стандарты частоты).

Возможность пространств. фокусировки M. и а. п., содержащих частицы в определённых энергетич. состояниях при помощи неоднородных электрич. или магн. полей, позволила использовать M. и а. п. для накопления частиц в состояниях с более высокой энергией (т. е. для создания инверсии населённостей), что необходимо для осуществления мазера. Первый мазер был осуществлён на пучке молекул аммиака (см. Молекулярный генератор ).Мазер на пучке атомов водорода широко использовался как для исследования атома водорода, так и для создания активного квантового стандарта частоты (см. Водородный генератор).

Литература по молекулярным и атомным пучкам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.