Что такое молекулярный пучок

, Чтобы понять, как он выходит, нужно вернуться к картине движения молекул в гаге. Из-за хаотичности столкновений траектория полета каждой молекулы является зигзаговидной линией. Для величины расстояния I между двумя столкновениями существует определенный закон распределения. Если подытоживать очень большое число величин h; h; h. и разделить результат на число столкновений, то независимо от того, с какой молекулой выполнена эта мнимая операция, всегда выйдет одна и та же величина, называемая средней длиной свободного пробега. Из кинетической теории газов выходит, что она назад пропорциональная давлению газа. Средняя длина свободного пробега играет весьма важную роль в устройствах для получения молекулярного пучка.

Представим себе сосуд, разделенный непроницаемой перегородкой на две камеры. В левой камере помещен какой-то газ, а в правой поддерживается вакуум. Выполним теперь в перегородке щель, через которую может проходить газ, и рассмотрим два случая.

Первый случай. Если размеры щели значительно превышают длину свободного пробега, то масса газа направится из левой камеры в праву, образовывая струю, которая расширяется в результате столкновений. Такое окончание газа описывается законами аэродинамики и не имеет ничего общего с молекулярным пучком.

Второй случай. Уменьшим давление газа в левой камере настолько, чтобы длина свободного пробега молекул превысила размеры щели. При таких условиях молекула газа, пролетая через щель, не успеет столкнуться с другой молекулой и, выйдя в область вакуума, будет продолжать прямолинейное движение к столкновению со стенкой сосуда. Такое окончание газа называется еффузионним. Молекулы, которые вылетают через щель, почти никогда не встретятся (исключением будут только те очень частные случаи, когда быстрые молекулы догоняют медленные, такие, которые летят по той же траектории). В то же время из-за хаотичности движения частиц в левой камере направление вылета отдельных молекул будет самим разным.

Следовательно, если размеры щели меньше длины свободного пробега, выходит "излучатель" отдельных молекул, движение которых происходит абсолютно независимо. Если теперь поставить на пути молекул диафрагмы, то можно выделить узкий, почти параллельный пучок молекул.

С этим пучком можно выполнить много интересных и важных опытов. Еще в 1911 г. Л. Дюнуае экспериментально подтвердил опытами с молекулярным пучком одно из основных положений кинетической теории газа — прямолинейность движения молекул в промежутках между столкновениями. В настоящий момент такой опыт показался бы даже несколько наивным, но в свое время он сыграл важную роль в экспериментальном обосновании теории. (Следует заметил, что в действительности из-за сил земного притяжения траектории полета молекул отличаются, хотя и очень мало, от прямых линий. Этот эффект был обнаружен позже в более тонких опытах с очень узкими щепотками).

Необходимо подчеркнуть одно очень важное свойство молекулярного пучка, которое позволило поставить еще более важные для науки опыты. Дело в том, что молекулы, которые вылетают через щель, хранят то же распределение по энергиям и скоростям, которое они имели внутри камеры. Можно сказать потому, что молекулярный пучок — это просто образец газа, взятый из камеры-источника в очень удобном для исследования виде. Легко понять, что это дает возможность экспериментальной проверки фундаментальнейшего закона кинетической теории газов, теоретически выведенного Максвеллом, - закону распределения молекул за скоростями. Гакой опыт был впервые выполнен Б. Ламбертом в 1929 г. Ввиду особенной важности вопроса эксперименты в той или другой форме проводились позже неоднократно, показывая один и тот же результат. В настоящее время справедливость закона не берется под сомнение, потому если при исследовании какого-либо объекта обнаруживают отклонение от него, то это свидетельствует о присутствии в веществе, которое изучается, молекул другого "сорта". Именно таким способом были, например, определенные в парах LIF, Libr и LICI димеры и тримери соответствующих молекул.

Все же самый яркий момент в истории исследований молекулярного пучка — это опыты О. Штерна и в. Герлаха (в 1921 г.) с щепотками атомов серебра в сильном неоднородном магнитном поле. Они довели пространственное квантование магнитных моментов атомов и послужили одной из экспериментальных основ квантовой механики, науки, которая играет ведущую роль в современной физике.

Трудно даже перечислить в журнальной статье те многообразные возможности, которые открывает применение методики молекулярного пучка в самих разных областях экспериментальной науки.

Источник - сборник мебели Зевс.