ДИФРА́КЦИЯ А́ТОМОВ И МОЛЕ́КУЛ

ДИФРА́КЦИЯ А́ТОМОВ И МОЛЕ́КУЛ, уп­ру­гое рас­сея­ние пуч­ка ато­мов или мо­ле­кул га­зом или по­верх­но­стью твёр­до­го те­ла с об­ра­зо­ва­ни­ем пуч­ков час­тиц, от­кло­нён­ных от на­прав­ле­ния рас­про­стра­не­ния на­чаль­но­го пуч­ка. При Д. а. и м. взаи­мо­дей­ст­ву­ют внеш­ние элек­трон­ные обо­лоч­ки час­тиц пуч­ка и ми­ше­ни; ха­рак­тер рас­сея­ния оп­ре­де­ля­ет­ся по­тен­циа­лом взаи­мо­дей­ст­вия рас­сеи­вае­мых и рас­сеи­ваю­щих час­тиц. Обыч­но рас­се­ян­ное из­лу­че­ние вклю­ча­ет как уп­ру­гую, так и не­уп­ру­гую ком­по­нен­ты взаи­мо­дей­ст­вия.

Д. а. и м. была от­кры­та в 1928–30 О. Штер­ном и нем. фи­зи­ком И. Эс­тер­ма­ном в экс­пе­ри­мен­тах по рас­сея­нию пуч­ков Ne, He, H, H₂, D₂ и др. по­верх­но­стью га­ло­ге­ни­дов ще­лоч­ных ме­тал­лов и, как и ди­фрак­ция элек­тро­нов, яви­лась под­твер­жде­ни­ем ре­аль­но­сти су­ще­ст­во­ва­ния волн де Брой­ля. Для мо­ле­кул лёг­ких га­зов с энер­ги­ей по­ряд­ка де­сят­ков мэВ дли­на вол­ны де Брой­ля со­став­ля­ет ок. 0,1 нм, т. е. со­пос­та­ви­ма с меж­атом­ны­ми рас­стоя­ния­ми в мо­ле­ку­лах и кри­стал­лах, чем и объ­яс­ня­ет­ся воз­мож­ность яв­ле­ния Д. а. и м. (см. Ди­фрак­ция волн, Ди­фрак­ци­он­ная ре­шёт­ка).

Для изу­че­ния Д. а. и м. мо­но­кри­стал­ли­че­скую (или га­зо­вую) ми­шень, иг­раю­щую роль ди­фрак­ци­он­ной ре­шёт­ки для на­прав­ляе­мо­го на неё пуч­ка ато­мов или мо­ле­кул, по­ме­ща­ют в ка­ме­ру, в ко­то­рой под­дер­жи­ва­ет­ся вы­со­кий ва­ку­ум. Рас­пре­де­ле­ние в про­стран­ст­ве ин­тен­сив­но­сти про­взаи­мо­дей­ст­во­вав­ших с ми­ше­нью час­тиц из­ме­ря­ет­ся с по­мо­щью де­тек­то­ров час­тиц. Ди­фрак­ци­он­ные пуч­ки на­блю­да­ют­ся при соз­да­нии оп­ре­де­лён­ных ус­ло­вий (ана­ло­гич­ных Брэг­га – Вуль­фа ус­ло­вию), что дос­ти­га­ет­ся из­ме­не­ни­ем вза­им­ной ори­ен­та­ции на­прав­ле­ния рас­про­стра­не­ния пер­вич­но­го пуч­ка, ми­ше­ни (её кри­стал­ло­гра­фич. плос­ко­стей) и де­тек­то­ра. Уп­ру­гие и не­уп­ру­гие со­став­ляю­щие в ди­фрак­ци­он­ных пуч­ках ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся, напр., с по­мо­щью вре­мя­про­лёт­но­го ана­ли­за­то­ра рас­пре­де­ле­ния час­тиц по ско­ро­стям.

Осо­бен­но­сти Д. а. и м. в срав­не­нии с ди­фрак­ци­ей элек­тро­нов, ди­фрак­ци­ей ней­тро­нов и ди­фрак­ци­ей др. час­тиц свя­за­ны с на­ли­чи­ем у ато­мов и мо­ле­кул соб­ст­вен­ных ли­ней­ных раз­ме­ров по­ряд­ка 0,1 нм, с их ма­лой ки­не­тич. энер­гией, су­ще­ст­во­ва­ни­ем внутр. элек­трон­ных (а для мо­ле­кул ещё и ко­ле­ба­тель­ных и вра­ща­тель­ных) сте­пе­ней сво­бо­ды, воз­мож­но­стью разл. про­стран­ст­вен­ной ори­ен­та­ции мо­ле­кул от­но­си­тель­но ди­фрак­ци­он­ной ре­шёт­ки ми­ше­ни, со спе­ци­фич. осо­бен­но­стя­ми кон­крет­но­го по­тен­циа­ла взаи­мо­дей­ст­вия. Д. а. и м., как и др. ви­ды ди­фрак­ции, ис­поль­зу­ет­ся для струк­тур­ных ис­сле­до­ва­ний. На­ли­чие у ато­мов и мо­ле­кул зна­чит. соб­ст­вен­ных раз­ме­ров (се­че­ние взаи­мо­дей­ст­вия ато­мов Нe или Н при­мер­но в 10¹⁰ раз боль­ше, чем у ней­тро­на) не по­зво­ля­ет им про­ни­кать в глубь об­раз­ца, что да­ёт воз­мож­ность ис­сле­до­вать струк­ту­ру его по­верх­но­сти, дву­мер­ные фа­зо­вые пе­ре­хо­ды, ди­на­ми­ку по­верх­но­ст­ной час­ти кри­стал­лич. струк­ту­ры, яв­ле­ния ад­сорб­ции и ка­та­ли­за, де­фор­ма­ции внеш­них элек­трон­ных обо­ло­чек в мо­ле­ку­лах и кри­стал­лах. При этом низ­кая ки­не­тич. энер­гия час­тиц в пуч­ках не­дос­та­точ­на для ини­ции­ро­ва­ния хи­мич. ре­ак­ций на по­верх­но­сти об­раз­ца, ко­то­рые час­то про­ис­ходят под дей­ст­ви­ем элек­тро­нов с энер­гия­ми 20–200 эВ.

В ос­но­ве ре­ше­ния струк­тур­ных за­дач с по­мо­щью Д. а. и м. ле­жат те же ме­то­ды, что и в др. ти­пах струк­тур­но­го ана­ли­за (рент­ге­нов­ско­го струк­тур­но­го ана­ли­за, элек­тро­но­гра­фии, ней­тро­но­гра­фии): ме­тод по­сле­до­ва­тель­ных при­бли­же­ний, ме­тод функ­ций Пат­тер­со­на и др. Од­на­ко осо­бен­но­сти Д. а. и м. по­тре­бо­ва­ли раз­ра­бот­ки но­вых приё­мов и тео­ре­тич. ис­сле­до­ва­ний, учи­ты­ваю­щих осо­бен­но­сти кон­крет­ной по­тен­ци­аль­ной кри­вой взаи­мо­дей­ст­вия, раз­ме­ры час­тиц, воз­мож­ность их од­но­вре­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия с не­сколь­ки­ми час­ти­ца­ми и т. д.

Ин­тер­фе­рен­ци­он­но-ди­фрак­ци­он­ные яв­ле­ния, воз­ни­каю­щие при рас­сея­нии атом­ных и мо­ле­ку­ляр­ных пуч­ков на га­зо­вых ми­ше­нях, ле­жат так­же в ос­но­ве столк­но­ви­тель­ной спек­тро­ско­пии. Изу­че­ние по­верх­но­ст­ных струк­тур и ди­на­ми­ки кри­с­тал­лич. ре­шёт­ки с по­мо­щью Д. а. и м., а так­же столк­но­ви­тель­ная спек­тро­ско­пия по­зво­ля­ют по­лу­чать ин­фор­ма­цию, не­дос­туп­ную др. ме­то­дам. Ин­те­рес к ис­сле­до­ва­нию рас­сея­ния га­зов разл. ми­ше­ня­ми сти­му­ли­ро­вал­ся в 1950–60-х гг. про­бле­ма­ми ди­на­ми­ки раз­ре­жен­ных га­зов. В совр. тех­ни­ке ис­поль­зу­ют­ся сверх­зву­ко­вые мо­ле­ку­ляр­ные пуч­ки с Ма­ха чис­лом ок. 10, с вы­со­кой ин­тен­сив­но­стью и мо­но­хро­ма­тич­но­стью.