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.