МОЛЕКУЛЯ́РНЫЕ И А́ТОМНЫЕ ПУЧКИ́
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
МОЛЕКУЛЯ́РНЫЕ И А́ТОМНЫЕ ПУЧКИ́, направленные потоки молекул или атомов, движущихся в высоком вакууме практически без столкновений друг с другом и с молекулами остаточных газов. М. и а. п. позволяют изучать строение и свойства молекул и атомов, пренебрегая эффектами, обусловленными столкновениями, а также процессы взаимодействия атомов и молекул друг с другом, с др. частицами (электронами, протонами, кластерами и т. д.), с электрическим и магнитным полями, поверхностью твёрдого тела, лазерным излучением.
М. и а. п. широко используются в радиоспектроскопии, химич. кинетике, оптике, квантовой электронике, лазерной спектроскопии, атомной оптике, нанотехнологии и др.
Первый эксперимент с атомным пучком (прямолинейный полёт в вакууме атомов натрия) провёл франц. учёный Л. Дюнуайе (1911). Позднее О. Штерн с сотрудниками использовал М. и а. п. для измерения скорости молекул и эффективных сечений их столкновений друг с другом, а также для исследования явлений, обусловленных электронными спинами и магнитными моментами атомных ядер.
М. и а. п. характеризуются интенсивностью (числом частиц, проходящих через телесный угол за секунду), ср. скоростью направленного движения частиц, распределением частиц по скоростям и внутр. степеням свободы (квантовым состояниям).
М. и а. п. могут быть непрерывными и импульсными. Для их получения и исследования используются: источник пучка, вакуумная камера (камера взаимодействия) и детектор пучка. Обычно М. и а. п. получают с помощью эффузионных и газодинамич. источников.
Эффузионный источник М. и а. п. представляет собой небольшую камеру, соединённую с камерой взаимодействия при помощи отверстия в тонкой стенке (или узкого капилляра в случае толстой стенки). Исследуемые молекулы или атомы вводятся в источник в виде газа или пара при давлении несколько мм рт. ст., чтобы ср. длина $l$ свободного пробега частиц внутри источника была бы больше диаметра соединит. отверстия. В этом случае частицы вылетают из источника независимо друг от друга. Если давление паров исследуемого вещества при комнатной темп-ре недостаточно велико, вещество вводят в источник в твёрдом или жидком состоянии и нагревают до темп-ры, обеспечивающей нужное давление в источнике. М. и а. п., получаемые с помощью эффузионных источников, имеют небольшие интенсивности [до 1016 частиц/(стерадиан·с)], тепловые ср. скорости и максвелловское распределение частиц по скоростям.
Газодинамич. источник М. и а. п. представляет собой газодинамич. струю, в которой газ расширяется при свободном истечении через сопло из области высокого давления в вакуум. Молекулярный пучок формируется с помощью конусообразной диафрагмы, которая «вырезает» центр. приосевую часть струи. М. и а. п., получаемые с помощью газодинамич. источников, имеют интенсивность в 10–1000 раз бо́льшую, чем эффузионные пучки, сверхзвуковые ср. скорости и более узкое распределение частиц по скоростям. Газодинамич. источники позволяют получать пучки частиц с высокой кинетич. энергией (до нескольких десятков эВ).
В качестве детекторов М. и а. п. применяют масс-спектрометры с ионизацией молекул и атомов электронным ударом или лазерным излучением, детекторы с поверхностной ионизацией, охлаждаемые болометры, пироэлектрич. приёмники и др.
Резонансные эксперименты
М. и а. п. были использованы И. Раби (1937) в магнитном резонансном методе измерения магнитных моментов ядер (см. Раби метод).
Метод параэлектрич. резонанса аналогичен методу магнитного резонанса, но в этом случае изменения траектории обусловлены взаимодействием электрич. моментов молекул с неоднородными электрич. полями, а квантовые переходы между уровнями молекулы вызваны колебаниями электрич. поля в резонаторе.
Эксперименты с магнитным и параэлектрическим резонансами в М. и а. п. дали информацию о строении молекул, атомов и атомных ядер. Были измерены спины ядер, магнитные и электрич. квадрупольные моменты стабильных и радиоактивных ядер. С высокой точностью измерена тонкая структура атомных спектров, в результате чего в экспериментах с атомарным водородом был открыт лэмбовский сдвиг, измерена постоянная тонкой структуры и получено доказательство существования у ядер электрич. октупольных моментов. Резонансные эксперименты с М. и а. п. позволили измерить вращат. магнитные и электрич. дипольные моменты молекул, энергию взаимодействия ядерных магнитных моментов с вращат. магнитными моментами, определить квадрупольные моменты молекул и т. п.
Пространств. фокусировка М. и а. п., содержащих частицы в определённых энергетич. состояниях, при помощи неоднородных электрич. или магнитных полей используется для накопления частиц в состояниях с более высокой энергией (т. е. для создания инверсии населённостей), что необходимо для работы мазера.
Взаимодействие частиц
М. и а. п. дают возможность детально изучать отд. акт столкновения двух частиц (в отличие от химич. и газодинамич. методов, в которых из-за большого числа столкновений частиц друг с другом наблюдаются лишь усреднённые эффекты), измерять сечения упругих и неупругих столкновений частиц, встречающихся под разл. углами и с разл. скоростями.
М. и а. п. используются в исследовании динамики химич. элементарных процессов. Эксперименты со скрещенными пучками дают полную информацию о процессах взаимодействия частиц, позволяют проследить траектории рассеянных частиц или продуктов химич. реакции, определить квантовые состояния частиц.
Рассеяние М. и а. п. поверхностью твёрдого тела позволяет получать детальную информацию о её свойствах. При неупругом рассеянии изучаются: обмен энергией между поступат., вращат. и колебат. степенями свободы частиц в пучке и колебат. степенями свободы частиц на поверхности, химич. реакции с частицами поверхности, процессы адсорбции и десорбции. М. и а. п. используются также для получения монокристаллов, тонких плёнок, микро- и наноструктур и квантовых точек путём осаждения частиц пучка на высокочистые поверхности твёрдых тел в условиях глубокого вакуума.
М. и а. п. применяются для исследования взаимодействия излучения с веществом. С их помощью были изучены: механизмы бесстолкновительного многофотонного возбуждения и диссоциации молекул интенсивным инфракрасным лазерным излучением; осн. факторы, влияющие на селективность и эффективность возбуждения и диссоциации молекул.
Применение молекулярных и атомных пучков в атомной оптике
М. и а. п. используются в атомной оптике для исследования процессов управления движением нейтральных атомов с помощью лазеров, для разработки и усовершенствования элементов атомной оптики (атомных линз, зеркал и др.). На атом в лазерном поле действуют две силы – спонтанная и дипольная, или градиентная. Спонтанная сила возникает, когда атом периодически поглощает фотоны лазерного поля и спонтанно излучает фотоны во все направления. При этом в среднем момент силы имеет направление поглощённых фотонов, поскольку моменты излучённых фотонов усредняются к нулю. Спонтанную силу можно использовать для охлаждения (или нагрева) атомов. Дипольная сила возникает за счёт того, что на атом (осциллирующий диполь) действует сила, пропорциональная градиенту интенсивности в осциллирующем электромагнитном поле. В зависимости от того, меньше или больше частота лазера по сравнению с частотой атомного перехода, сила направлена в область высоких или низких интенсивностей. Зависимость дипольной силы от градиента интенсивности лазерного поля используется для фокусировки атомных пучков.
В М. и а. п. исследовались процессы замедления и охлаждения атомов лазерным излучением; были разработаны оптич. и магнитооптические ловушки для атомов, что в дальнейшем позволило получить бозе-эйнштейновский конденсат атомов в ловушках. Это привело к созданию атомного лазера – источника когерентных атомных волн, используемых в атомной интерферометрии, атомной голографии и др.
Применение молекулярных и атомных пучков в нанотехнологии
Возможность управления нейтральными частицами с помощью лазеров позволяет применять М. и а. п. в нанотехнологии для получения наноструктур. В таких экспериментах с помощью лазеров производится тщательная коллимация атомного пучка – замедление поперечных скоростей атомов и фокусировка пучка.
Фокусировка пучка атомов натрия и хрома лазерным полем использовалась для осаждения регулярных наноструктур на кремниевые подложки. С помощью двух лазерных лучей, направленных навстречу друг другу (рис.), вблизи подложки формировалась стоячая световая волна. Вариации интенсивности внутри стоячей волны создавали последовательность параллельных потенциальных ям, перпендикулярных направлению атомного пучка и расположенных друг от друга на расстоянии, равном половине длины волны $λ$ лазерного излучения. Когда частота излучения больше частоты атомного перехода, минимумы потенциальной энергии лежат вдоль узлов стоячей волны и на атомы действует сила, направленная в сторону минимумов потенциальной энергии, в результате чего они фокусируются в полоски. В экспериментах с пучком атомов хрома получены структуры с шириной полосок 68 нм, высотой 34 нм и расстоянием между полосками 213 нм, а также регулярные двумерные структуры. Такая технология осаждения частиц позволяет получать наноструктуры заданного состава, размера и геометрии.
М. и а. п., а также пучки кластеров часто объединяют общим назв. «молекулярные пучки». Для получения кластерных пучков применяется агрегация газа, лазерная абляция, газодинамич. расширение газа в сопловых источниках. Кластерные пучки используются для исследования межатомных и межмолекулярных сил, зависимости физико-химич. свойств кластеров от их размеров и структуры, а также в нанотехнологии – для изготовления быстродействующих электронных устройств и систем с большой памятью, для получения тонких плёнок и новых материалов и для обработки поверхности.
