Большой энциклопедический словарь:
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И АТОМНЫЕ ПУЧКИ — направленные потоки молекул или атомов, движущихся в вакууме без столкновений друг с другом и с молекулами остаточных газов. Используются в радиоспектроскопии, квантовой электронике, ускорительной технике.
Большая советская энциклопедия:
Молекулярные и атомные пучки
Направленные потоки молекул или атомов, 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 атомным пучком был осуществлен в 1911 французским учёным Л. Дюнуайе, который продемонстрировал прямолинейный пролёт в вакууме атомов Na. 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 магнитными моментами атомных ядер (см. Ядро атомное). В 1937 И. Раби использовал М. и а. п. в изобретённом им резонансном методе, который вначале применялся для измерения магнитных моментов ядер (1937—40), а в дальнейшем стал основным методом радиоспектроскопии (См. Радиоспектроскопия), позволившим измерить с большой точностью фундаментальные характеристики молекул, атомов и атомных ядер (Н. Рамзей и др.).
Источник, в котором формируются М. и а. п., представляет собой камеру, соединённую с высоковакуумным объёмом при помощи отверстия в тонкой стенке или узкого капилляра в толстой стенке. Исследуемые молекулы или атомы 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 счёт 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. даёт возможность детально изучать акт столкновения между двумя частицами, в отличие от химических и газодинамических методов, в которых из-за множественных столкновений частиц друг с другом наблюдаются лишь усреднённые 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 химические 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. Атомы водорода вылетают из источника в вакуумную камеру, где они сталкиваются с двухатомными молекулами щелочного металла, например К2. Угловое распределение продуктов реакции измеряется с помощью детекторов с поверхностной ионизацией (См. Поверхностная ионизация) (горячие нити Pt и W). Т. 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 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 магнитное поле, создаваемое магнитом А (рис. 2). Неоднородное поле А искривляет их траектории, что обусловлено взаимодействием их магнитных моментов с неоднородным магнитным полем. Далее частицы пролетают через коллиматор и попадают в область детектора, где происходит компенсация искривления траектории в неоднородном магнитном поле, создаваемом магнитом В. Конфигурация поля В в точности противоположна конфигурации поля А. Для индентификации молекул их ионизируют (электронным ударом) и пропускают через масс-спектрометр (См. Масс-спектрометры), после чего они регистрируются электронным умножителем (См. Электронный умножитель), соединённым с фазочувствительным детектором. Плавно изменяя частоту колебаний электромагнитного поля в зазоре магнита С, создающего однородное магнитное поле, измеряют интенсивность пучка, регистрируемого детектором. Если частота удовлетворяет боровскому условию:
= (E2 — E1)/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 магнитным 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 детектором, 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 (См. Параэлектрический резонанс) аналогичен методу магнитного 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 счёт 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 магнитным резонансом, а однородное магнитное поле в опытах с параэлектрическим резонансом (К. Мак-Адан, Н. Рамзей и др., 1972).
Эксперименты с магнитным и параэлектрическим резонансами в М. и а. п. дали большое количество информации о строении молекул, атомов и атомных ядер. Этим методом были измерены спины ядер, магнитные 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 атомных спектров, в результате чего в экспериментах с атомарным водородом был открыт Лэмбовский сдвиг, послуживший источником серии революционных теоретических открытий в квантовой электродинамике (См. Квантовая электродинамика). Измерения сверхтонкой структуры (См. Сверхтонкая структура) спектров дали первые указания на аномальность магнитного момента электрона, которая впоследствии была измерена непосредственно. В экспериментах с М. и а. п. были осуществлены два независимых измерения постоянной тонкой структуры (См. Тонкая структура) и получено пока единственное доказательство существования у ядер электрических октупольных моментов. Резонансные эксперименты с М. и а. п. позволили измерить вращательные магнитные моменты и электрические дипольные моменты молекул, энергию взаимодействия ядерных магнитных моментов с вращательными магнитными моментами молекул, зависимость электрических и магнитных свойств от ориентации молекул; определить квадрупольные моменты молекул, энергию межъядерных магнитных взаимодействий в молекулах и т. д. Частота колебаний, соответствующая линиям сверхтонкой структуры магнитного 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 определённых энергетических состояниях при помощи неоднородных электрических или магнитных полей, позволила использовать М. и а. п. для накопления частиц в состояниях с более высокой энергией (т. е. для создания инверсии населённостей (См. Инверсия населённостей)), что необходимо для осуществления Мазера. Первый мазер был осуществлен 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.
Лит.: Смит К. Ф., Молекулярные пучки, пер. с англ., М., 1959; Рамзей Н., Молекулярные пучки, пер. с англ., М., 1960; Kusch P., Huges V. W., Atomic and molecular beam spectroscopy, в кн.: Handbuch der Physik, Hrsg. von S. Flgge, Bd 37, Tl 1, B., [u. a.], 1959; Zorn J. C., English T. C., Methods of experimental physics, v. 3, N. Y., 1973.
Н. Ф. Рамзей (США).
Рис. 1. Схема опыта для изучения химических реакций, происходящих при пересечении пучка атомов водорода с пучком двухатомных молекул щелочного металла. K1, K2, K3 — коллимирующие щели.
Рис. 2. Схема эксперимента по наблюдению магнитного резонанса в молекулярном пучке. Пролёт частицы через прибор определяется по искривлению её траектории; отклонения увеличены относительно типичных размеров прибора (длина прибора 3 м, максимальное поперечное сечение 0,01 см). Р — резонатор, в котором возбуждается электромагнитное поле резонансной частоты; H1 — форвакуумный насос, H2 — высоковакуумный насос; А, В и С — электромагниты.
Физический энциклопедический словарь:
Направленные потоки молекул или атомов, движущихся в вакууме практически без столкновения друг с другом и с молекулами остаточных газов. М. и а. п. позволяют изучить свойства отд. ч-ц, пренебрегая эффектами, обусловленными столкновениями, кроме тех случаев, когда сами столкновения явл. объектом исследований. В 1911 франц. физик Л. Дюнуайе продемонстрировал прямолинейный пролёт в вакууме атомов Na. Позднее нем. физик О. Штерн с сотрудниками использовал 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 магн. моментами ат. ядер. В 1937 амер. физик И. Раби использовал М. и а. п. в резонансных экспериментах вначале для измерения магн. моментов ядер, а затем для измерения различных характеристик молекул, атомов и ядер.
Рис. 1. Схема опыта для изучения хим. реакции, происходящей при пересечении пучка атомов водорода с пучком молекул К2. Т.к. вольфрамовый детектор одинаково чувствителен к молекулам К2 и КОН, а платиновый — менее чувствителен к КОН, то, комбинируя оба детектора, можно различать эти молекулы.
Источник М. и а. п.— камера, соединённая с высоковакуумным объёмом отверстием или узким капилляром (рис. 1). Исследуемые молекулы или атомы вводятся в камеру в виде газа или пара при давлении неск. мм рт. ст. Давление газа должно быть достаточно малым, чтобы ср. длина l свободного пробега ч-ц внутри источника равнялась диаметру соединит. отверстия или была несколько больше него. В этом случае ч-цы вылетают из источника независимо друг от друга (в случае капилляра l должна быть соизмерима также с длиной капилляра). Чрезмерное увеличение l за счёт уменьшения давления в источнике, не улучшая существенно св-в М. и а. п., уменьшает их интенсивность. Для увеличения интенсивности пучков применяют источники с неск. отверстиями или капиллярами, расстояния между к-рыми должны быть несколько больше их диаметра. Соударения с ч-цами остаточного газа разрушают М. и а. п. Длина М. и а. п. в идеальном вакууме была бы чрезвычайно велика, т. к. возможны были бы только соударения «догона».
М. и а. п. дают возможность изучать отд. акты столкновения между двумя ч-цами (в отличие от хим. и газодинамич. методов, в к-рых из-за множеств. столкновений ч-ц друг с другом наблюдаются лишь усреднённые эффекты). Измеряются сечения упругих и неупругих соударений ч-ц, встречающихся под разными углами и при разных скоростях (рис. 1), наблюдаются хим. реакции между ч-цами и изучается угловое и энергетич. распределение продуктов реакции. Иногда сталкивающиеся пучки предварительно поляризуют или, наоборот, измеряют появляющуюся поляризацию.
Рис. 2. Схема эксперимента по наблюдению магн. резонанса в мол. пучке. Пролёт ч-цы через прибор определяется по искривлению её траектории; отклонения увеличены относительно типичных размеров прибора (длина прибора 3 м, макс. поперечное сечение 0,01 см); Р — резонатор, в к-ром возбуждается эл.-магн. поле резонансной частоты; H1 — форвакуумный насос; Н2 — высоковакуумный насос.
В р е з о н а н с н ы х э к с п е р и м е н т а х (метод Раби) ч-цы, вылетая из источника в вакуум (10-7 мм рт. ст. или 10-5 Па), пролетают через неоднородное магн. поле H1 искривляющее их траекторию (рис. 2), что обусловлено вз-ствием их магн. моментов с неоднородным магн. полем. Далее ч-цы пролетают через коллиматор . и попадают в область детектора, где неоднородное магн. поле H2 компенсирует искривления их траекторий. Конфигурации полей H1 и Н2 в точности противоположны. Для идентификации молекул их пропускают через масс-спектрометр, после чего они регистрируются электронным умножителем, соединённым с детектором. При плавном изменении частоты колебаний эл.-магн. поля в зазоре магнита Н, создающего однородное магн. поле, измеряют интенсивность пучка, регистрируемого детектором; w=w0(?2-?1)/ћ (где ?1 и ?2 -уровни энергии молекул). Молекулы под действием эл.-магн. поля, возбуждаемого в резонаторе Р, могут переходить из состояния с энергией ?1 в состояние с энергией ?2 и обратно. Если по магн. св-вам состояния ?1 и ?2 различны, то поле Н2 не компенсирует отклонение, вызванное полем Н1 для части молекул, испытавших переход. Эти молекулы движутся по траектории, показанной пунктиром. При w=w0 интенсивность, регистрируемая детектором, имеет минимум. По величине w0 определяют разность энергий уровней ?1 и ?2 исследуемых молекул.
Если изменения траектории обусловлены вз-ствием электрич. моментов молекул с неоднородными электрич. полями, квант. переходы вызваны колебаниями электрич. поля в резонаторе (см. ПАРАЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС). Применяется также сочетание обоих методов, напр. однородное пост. электрич. поле используют в экспериментах с магн. резонансом, а однородное магн. поле в опытах с параэлектрич. резонансом.
Резонансные эксперименты дали большое количество информации о строении молекул, атомов и ат. ядер. Были измерены спины, магн. дипольные и электрич. квадрупольные моменты ядер. В частности, был обнаружен электрический квадрупольный момент дейтрона, исследована тонкая структура ат. спектров, в результате чего был открыт лэмбовский сдвиг. Измерение постоянной тонкой структуры дало пока единств. доказательство существования у ядер электрич. октупольных моментов. Были измерены вращат. магн. моменты и электрич. дипольные моменты молекул, энергия вз-ствия ядерных магн. моментов с вращат. магн. моментами молекул, зависимость электрич. и магн. свойств от ориентации молекул; квадрупольные моменты молекул, энергия межъядерных магн. вз-ствий в молекулах и др. Частота колебаний, соответствующая линиям сверхтонкой структуры магнитного резонанса в М. п а. п.,— основа для определения секунды в пассивных квантовых стандартах частоты.
М. и а. п. позволяют накапливать ч-цы с более высокой энергией и создавать инверсию населённостей (см. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР). Генератор на пучке атомов водорода использовался как для исследования атома водорода, так и для создания активного квант. стандарта частоты.
© «СловоТолк.Ру» — толковые и энциклопедические словари, 2007-2020