МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И АТОМНЫЕ ПУЧКИ

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И АТОМНЫЕ ПУЧКИ

       

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.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

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 M. и а. п. 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 темп-ре недостаточно велико, его вводят в камеру в форме твёрдых (жидких) образцов и нагревают камеру до темп-ры, 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^-5 Па 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 - двухпро водная линия; 7 - диафрагма; Д - детектор пучка.
H₁ - форвакуумный насос, H₂ и H₃ - высоковаку умные 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 относи тельных 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 относи тельных 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).

Лит.; Смит К. Ф., Молекулярные пучки, пер. с англ., M., 1959; Kusch Р., Hughes V. W., Atomic and molecular beam spectroscopy, в кн.: Handbuch der Physik, hrsg. von S. FlUgge, Bd 37, Tl l, B.- [u. a.], 1959; Рамзей H., Молекулярные пучки, пер. с англ., M., 1960; English T. С., Zorn J. C., Molecular beam spectroscopy, в кн.: Methods of experimental physics, v. 3, pt B, 2 ed., N.Y. - L., 1974; Летохов В. С., Лазерная фотоионизационная спектроскопия, M., 1987. H, Ф. Рамзей, M. E. Жаботинский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.