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分子束是在高真空中定向運動的分子流。美國科學家I.I.拉比等人對近代原子束、分子束技術的發展作出了創始性貢獻。分子束研究分子反應動力學的思想,創造了新的一代分子束裝置。這是世界上最好的分子束裝置。李遠哲被譽為分子束化學真正的實現。

1分子束

原子束和分子束是研究原子和分子的結構以及原子和分子同其他物質相互作用的重要手段。固體、液體和稠密氣體中原子或分子間距離較小,有著複雜的相互作用,很難研究其中孤立分子的性質,稀薄氣體中分子間距離較大,其相互作用隨壓強的減小變弱,但因分子的無規則運動,使得對分子本身的探測和研究較困難。在原子束或分子束中,原子或分子作準直得很好的定向運動,它們之間的相互作用可以忽略,因此可以認為束流是運動著的孤立原子或分子的集合,可用以研究分子、原子本身性質以及分子、原子與其他粒子的相互作用。這類研究對原子和分子物理、氣體激光動力學、等離子體物理、微觀化學反應動力學、空間物理、天體物理以及生物學的一些領域都非常重要。此外,還可用原子束、分子束來研究物體的表面和固體結構。

2產生

原子束、分子束的實驗裝置大體可分為原子或分子准直束源、實驗區和探測器三個部分。簡單的原子束或分子束源是一個帶有準直小孔的密封氣室稱源室,原子或分子從准直小孔射出。在正對束源小孔一定距離處,安置另一小孔管用以准直束流,稱尖削器,通過管孔的分子才能進入實驗區。對於在室溫下蒸氣壓很低的固體物質,可加熱使其汽化,調節源室的溫度即可控制室內蒸氣壓。從源室射出的原子或分子在相鄰的高真空實驗區中產生了束。束流原子和分子的平均速度約為10cm/s。也可用離子源產生的離子經電場加速、聚焦,再加上電子以產生較高速度的原子束或分子束,其原子或分子的速度可達10cm/s 或更高,並處於受激態。但爐中的蒸氣壓並不高,原子、分子束的流強也不大。若想獲得高強度的分子束,可使氣體從高氣壓區通過微型噴口,絕熱膨脹到真空室,形成超聲分子束。經此過程,分子的部分內能轉化為定向平移的動能,分子得到冷卻,分子束的流強也提高了。

3探測

可借表面電離法探測原子、分子束,當用束轟擊金屬表面時,束中電離勢低的原子,因碰撞失去電子而成為正離子。測量離子流即可檢測原子或分子數。還可借較高能量的束粒子轟擊固體表面時所產生的次級電子束探測束中的粒子數。當束流很弱時,用電子倍增器進行脈衝記數,即可大大提高檢測靈敏度。實驗區和探測器部分一般都處於高真空中。

4應用

由於調頻激光器的激光束與原子分子束交叉時,就能夠有選擇地把束中的原子或分子激發到特定的受激態,包括分子中的轉動、振動和電子受激態,就有可能研究原子或分子處於一定受激態時各種類型的碰撞截面、相互作用勢和化學反應,這是一個新的、很大的研究領域。
通過不同頻率激光的級聯激發,還可以使束中原子激發到高受激態和自電離態,從而研究這些態的性質。這類原子態的場電離和自電離幾率都很大(接近於1),電離產生的離子可進行計數。所以,只要能使原子變成離子就可檢測。採取一定措施,提高靈敏度,消除檢測中的本底雜訊后,就可以實現單個原子的檢測。
當分子具有磁或電偶極矩時,可以通過外加磁場和電場與偶極矩的相互作用來選擇偶極矩取向,使不同偶極矩的原子和分子在空間分離。採取這種措施,就可進行精密的原子、分子束波譜實驗,精確測量原子核的磁矩,發展原子和分子的頻率或時間的測量標準。
低流強的原子、分子束和光束作用時,可以忽略原子、分子光譜線的碰撞增寬(見譜線增寬);還可採用有選擇性的飽和吸收和對駐波場的雙光子躍遷的辦法,進一步消除原子、分子譜線的多普勒增寬,這就能以極高的精度研究自由原子及分子的光譜和能級。通過一些適當安排,還能測量蘭姆移位,驗證量子電動力學,並測定一些基本的物理常數。
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