Molekulární paprsek
Atomový paprsek a molekulární paprsek jsou důležité metody pro studium struktury atomů a molekul a interakce atomů a molekul s jinými látkami. Vzdálenosti mezi atomy nebo molekulami v pevných látkách, kapalinách a hustých plynech jsou malé a dochází ke složitým interakcím. Je obtížné studovat vlastnosti izolovaných molekul. Vzdálenost mezi molekulami ve vzácných plynech je velká a interakce s klesajícím tlakem slábne. Náhodný pohyb molekul však ztěžuje detekci a studium samotných molekul. V atomových nebo molekulárních svazcích se atomy nebo molekuly pohybují v dobře zarovnaném směru a interakci mezi nimi lze ignorovat. Proto lze paprsek považovat za soubor pohybujících se izolovaných atomů nebo molekul, které lze použít ke studiu molekul, povahy samotného atomu a interakce molekul, atomů a dalších částic. Tento typ výzkumu je velmi důležitý pro některé oblasti atomové a molekulární fyziky, dynamiky plynového laseru, fyziky plazmatu, dynamiky mikrochemických reakcí, vesmírné fyziky, astrofyziky a biologie. Kromě toho lze atomární paprsky a molekulární paprsky také použít ke studiu povrchu a pevné struktury objektů.
Generace
Experimentální zařízení pro atomové a molekulární svazky lze zhruba rozdělit do tří částí: atomární nebo molekulární kolimovaný zdroj svazku, experimentální oblast a detektor. Jednoduchý atomový paprsek nebo zdroj molekulárního paprsku je utěsněná plynová komora nazývaná zdrojová komora s kolimačním otvorem a atomy nebo molekuly jsou vyhazovány z kolimačního otvoru. V určité vzdálenosti směrem k malému otvoru zdroje paprsku je umístěna další trubice s malým otvorem pro kolimaci paprsku, nazývaná ostřič, a pouze molekuly procházející otvorem v trubici mohou vstoupit do experimentální oblasti. Pevná látka s velmi nízkým tlakem par při pokojové teplotě může být zahřátá, aby se vypařila, a vnitřní tlak par lze řídit úpravou teploty zdrojové komory. Atomy nebo molekuly emitované ze zdrojové komory generují paprsky v sousední experimentální zóně s vysokým vakuem. Průměrná rychlost atomů a molekul svazku je asi 10 cm/s. Ionty produkované iontovým zdrojem mohou být také urychleny a fokusovány elektrickým polem a elektrony jsou přidány k vytvoření atomového nebo molekulárního paprsku vyšší rychlosti. Rychlost atomů nebo molekul může dosáhnout 10 cm/s nebo vyšší a jsou v excitovaném stavu. Tlak par v peci však není vysoký a proud atomových a molekulárních paprsků není vysoký. Pokud chcete získat molekulární paprsek o vysoké intenzitě, můžete nechat plyn z vysokotlaké zóny projít mikrotryskou, adiabaticky expandovat do vakuové komory a vytvořit ultrazvukový molekulární paprsek. Tímto procesem se část vnitřní energie molekul přemění na kinetickou energii pro směrovou translaci, molekuly se ochladí a také se zvýší intenzita molekulárního paprsku.
Detekce
Metodu povrchové ionizace lze použít k detekci atomů a molekulárních paprsků. Když je paprsek použit k bombardování kovového povrchu, atomy s nízkým ionizačním potenciálem v paprsku ztrácejí elektrony a stávají se kladnými ionty v důsledku srážek. . Počet atomů nebo molekul lze detekovat měřením iontového proudu. Počet částic v paprsku může být také detekován sekundárním elektronovým paprskem generovaným, když částice paprsku o vyšší energii bombardují pevný povrch. Když je proud paprsku velmi slabý, počítání pulsů pomocí elektronového násobiče může výrazně zlepšit citlivost detekce. Experimentální oblast a část detektoru jsou obecně ve vysokém vakuu.
aplikace
Protože když laserový paprsek frekvenčně modulačního laseru protíná atomový a molekulární paprsek, atomy nebo molekuly v paprsku mohou být selektivně vybuzeny do specifického excitovaného stavu, včetně molekul Je možné studovat různé typy srážkových průřezů, interakční potenciály. a chemické reakce, když jsou atomy nebo molekuly v určitém excitovaném stavu. Jedná se o nový a velký výzkumný obor.
Prostřednictvím kaskádového buzení laserů různých frekvencí mohou být atomy v paprsku také excitovány do vysoce excitovaných stavů a samoionizovaných stavů, aby bylo možné studovat vlastnosti těchto stavů. Pravděpodobnost ionizace pole a samoionizace tohoto druhu atomového stavu je velmi vysoká (blízká 1) a ionty produkované ionizací lze spočítat. Proto může být detekován, pokud se atomy mohou změnit na ionty. Po provedení určitých opatření ke zlepšení citlivosti a odstranění šumu pozadí při detekci lze realizovat detekci jednoho atomu.
Když má molekula magnetický nebo elektrický dipólový moment, orientaci dipólového momentu lze vybrat interakcí vnějšího magnetického pole a elektrického pole a dipólového momentu, takže atomy a molekuly s různými dipólovými momenty jsou v prostoru odděleny. Přijetím tohoto opatření lze provádět přesné experimenty atomové a molekulární spektroskopie, lze přesně měřit magnetický moment jádra a vyvíjet standardy měření frekvence nebo času atomů a molekul.
Při použití nízké intenzity proudu atomů, molekulárních paprsků a paprsků lze srážkové rozšíření atomových a molekulárních spektrálních čar ignorovat (viz rozšíření spektrální čáry); lze použít i selektivní nasycenou absorpci a párování Metoda dvoufotonového přechodu pole stojatých vln dále eliminuje dopplerovské rozšíření atomových a molekulárních spektrálních čar, což umožňuje studium spekter a energetických hladin volných atomů a molekul s extrémně vysoká přesnost. S některými vhodnými uspořádáními může také měřit Lambovy posuny, ověřit kvantovou elektrodynamiku a určit některé základní fyzikální konstanty.