Molekyylisäde
Atomisuihku ja molekyylisuihku ovat tärkeitä menetelmiä tutkittaessa atomien ja molekyylien rakennetta sekä atomien ja molekyylien vuorovaikutusta muiden aineiden kanssa. Atomien tai molekyylien väliset etäisyydet kiinteissä aineissa, nesteissä ja tiheissä kaasuissa ovat pieniä, ja vuorovaikutuksia on monimutkaisia. Eristettyjen molekyylien ominaisuuksia on vaikea tutkia. Molekyylien välinen etäisyys harvinaisissa kaasuissa on suuri, ja vuorovaikutus heikkenee paineen laskiessa. Molekyylien satunnainen liike vaikeuttaa kuitenkin itse molekyylien havaitsemista ja tutkimista. Atomi- tai molekyylisäteissä atomit tai molekyylit liikkuvat hyvin kohdistettuun suuntaan, ja niiden välinen vuorovaikutus voidaan jättää huomiotta. Siksi sädettä voidaan pitää kokoelmana liikkuvia eristettyjä atomeja tai molekyylejä, joilla voidaan tutkia molekyylejä, itse atomin luonnetta ja molekyylien, atomien ja muiden hiukkasten vuorovaikutusta. Tämäntyyppinen tutkimus on erittäin tärkeä joillekin atomi- ja molekyylifysiikan, kaasulaserdynamiikan, plasmafysiikan, mikrokemiallisen reaktiodynamiikan, avaruusfysiikan, astrofysiikan ja biologian aloille. Lisäksi atomisäteitä ja molekyylisäteitä voidaan käyttää myös esineiden pinnan ja kiinteän rakenteen tutkimiseen.
Sukupolvi
Atomi- ja molekyylisäteen kokeellinen laite voidaan jakaa karkeasti kolmeen osaan: atomi- tai molekyylikollimoidun säteen lähde, koealue ja detektori. Yksinkertainen atomisäteen tai molekyylisuihkun lähde on suljettu kaasukammio, jota kutsutaan lähdekammioksi, jossa on kollimoiva reikä, ja atomit tai molekyylit poistetaan kollimoivasta reiästä. Tietylle etäisyydelle säteen lähteen pientä reikää päin sijoitetaan toinen pieni reikäputki kollimoimaan säteen, nimeltään teroitin, ja vain putken reiän läpi kulkevat molekyylit pääsevät koealueelle. Kiinteää ainetta, jonka höyrynpaine on erittäin alhainen huoneenlämpötilassa, se voidaan lämmittää höyrystymään, ja sisätilojen höyrynpainetta voidaan säätää säätämällä lähdekammion lämpötilaa. Lähdekammiosta emittoidut atomit tai molekyylit synnyttävät säteitä viereiselle korkean tyhjiön koealueelle. Säteen atomien ja molekyylien keskinopeus on noin 10 cm/s. Ionilähteen tuottamia ioneja voidaan myös kiihdyttää ja fokusoida sähkökentällä, ja elektroneja lisätään tuottamaan nopeampi atomi- tai molekyylisuihku. Atomien tai molekyylien nopeus voi olla 10 cm/s tai enemmän, ja ne ovat virittyneessä tilassa. Höyrynpaine uunissa ei kuitenkaan ole korkea, eikä atomi- ja molekyylisäteiden virtaus ole suuri. Jos haluat saada korkean intensiteetin molekyylisäteen, voit saada korkeapainevyöhykkeeltä tulevan kaasun kulkemaan mikrosuuttimen läpi, laajentamaan adiabaattisesti tyhjiökammioon ja muodostamaan ultraäänimolekyylisäteen. Tämän prosessin kautta osa molekyylien sisäisestä energiasta muunnetaan kineettiseksi energiaksi suunnattua translaatiota varten, molekyylit jäähtyvät ja myös molekyylisäteen intensiteetti kasvaa.
Havaitseminen
Pintaionisaatiomenetelmää voidaan käyttää atomien ja molekyylisuihkujen havaitsemiseen. Kun sädettä käytetään pommittamaan metallipintaa, säteen alhaisen ionisaatiopotentiaalin omaavat atomit menettävät elektroneja ja niistä tulee positiivisia ioneja törmäysten seurauksena. . Atomien tai molekyylien lukumäärä voidaan havaita mittaamalla ionivirta. Säteen hiukkasten lukumäärä voidaan havaita myös toissijaisella elektronisuihkulla, joka syntyy, kun korkeamman energian säteen hiukkaset pommittavat kiinteää pintaa. Kun säteen virta on erittäin heikko, pulssilaskeminen elektronikertojalla voi parantaa huomattavasti tunnistusherkkyyttä. Koealue ja ilmaisinosa ovat yleensä korkeassa tyhjiössä.
Sovellus
Koska kun taajuusmodulaatiolaserin lasersäde ylittää atomi- ja molekyylisäteen, säteen atomit tai molekyylit voidaan valikoivasti virittää tiettyyn virittyneeseen tilaan, mukaan lukien molekyylit. On mahdollista tutkia erilaisia törmäyspoikkileikkauksia, vuorovaikutuspotentiaalia. ja kemialliset reaktiot, kun atomit tai molekyylit ovat tietyssä virittyneessä tilassa. Tämä on uusi ja laaja tutkimusala.
Eritaajuisten lasereiden kaskadiviritteen avulla säteen atomit voidaan virittää myös erittäin virittyneisiin tiloihin ja itseionisoituneisiin tiloihin näiden tilojen ominaisuuksien tutkimiseksi. Kenttäionisaation ja tällaisen atomitilan itseionisaation todennäköisyys on erittäin korkea (lähes 1), ja ionisaation tuottamat ionit voidaan laskea. Siksi se voidaan havaita niin kauan kuin atomit voidaan muuttaa ioneiksi. Tiettyjen toimenpiteiden jälkeen herkkyyden parantamiseksi ja taustamelun eliminoimiseksi ilmaisussa voidaan toteuttaa yksittäisen atomin havaitseminen.
Kun molekyylillä on magneettinen tai sähköinen dipolimomentti, dipolimomentin suunta voidaan valita ulkoisen magneettikentän ja sähkökentän sekä dipolimomentin vuorovaikutuksella siten, että atomit ja molekyylit, joilla on eri dipolimomentti, erottuvat avaruudessa. Tämän toimenpiteen avulla voidaan suorittaa tarkkoja atomi- ja molekyylisuihkuspektroskopiakokeita, mitata ytimen magneettimomentti tarkasti ja kehittää atomien ja molekyylien taajuuden tai ajan mittausstandardeja.
Kun käytetään atomien, molekyylisäteiden ja säteiden pientä virranvoimakkuutta, atomi- ja molekyylispektriviivojen törmäyslaajeneminen voidaan jättää huomiotta (katso spektriviivan leveneminen); myös selektiivistä tyydyttynyttä absorptiota ja pariutumista voidaan käyttää Seisovan aallon kentän kaksifotoni-siirtymämenetelmä eliminoi entisestään atomi- ja molekyylispektrilinjojen Doppler-laajenemisen, mikä mahdollistaa vapaiden atomien ja molekyylien spektrien ja energiatasojen tutkimisen äärimmäisen hyvin. korkean tarkkuuden. Joillakin asianmukaisilla järjestelyillä se voi myös mitata Lamb-siirtymiä, varmistaa kvanttielektrodynamiikan ja määrittää joitain fyysisiä perusvakioita.