МОЛЕКУЛЯ́РНЫЕ И А́ТОМНЫЕ ПУЧКИ́

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 20. Москва, 2012, стр. 668-669

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Г. Н. Макаров

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.

Схема эксперимента по осаждению наноструктур на подложку. Стоячая световая волна лазерного поля образует серию цилиндрических линз для атомов хрома и фокусирует их в линии нанометрового размера при ос...

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.

Лит.: Рам­зей Н. Мо­ле­ку­ляр­ные пуч­ки. М., 1960; Ле­то­хов В. С. Ла­зер­ная фо­то­ио­ни­за­ци­он­ная спек­тро­ско­пия. М., 1987; Atomic and molecular beam methods / Ed. G. Scoles. N. Y., 1988–1992. Vol. 1–2; Meschede D., Metcalf H. J. Atomic nanofabrication: atomic deposi­tion and lithography by laser and magnetic for­ces // Journal of Physics D: Applied Physics. 2003. Vol. 36. № 3; Ма­ка­ров Г. Н. Се­лек­тив­ные про­цес­сы ИК-воз­бу­ж­де­ния и дис­со­циа­ции мо­ле­кул в га­зо­ди­на­ми­че­ски ох­ла­ж­ден­ных стру­ях и по­то­ках // Ус­пе­хи фи­зи­че­ских на­ук. 2005. Т. 175. № 1.

Вернуться к началу