Что такое молекулярный пучок

Чтобы понять, как он получается, нужно вернуться к картине движения молекул в газе. Из-за хаотичности столкновений траектория полета каждой молекулы представляет собой зигзагообразную линию. Для величины расстояния I между двумя столкновениями существует определенный закон распределения. Если суммировать очень большое число величин h; h; h... и разделить результат на число столкновений, то независимо от того, с какой молекулой проделана эта мысленная операция, всегда получится одна и та же величина, называемая средней длиной свободного пробега. Из кинетической теории газов следует, что она обратно пропорциональна 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 заключен какой-то газ, а в правой поддерживается вакуум. Проделаем 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 устремится из левой камеры в правую, образуя расширяющуюся вследствие столкновений струю. Такое истечение 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 до столкновения со стенкой сосуда. Такое истечение газа называется эффузионным. Вылетающие через щель молекулы почти никогда не встретятся (исключением будут только те крайне редкие случаи, когда быстрые молекулы догоняют медленные, летящие по той же самой траектории). В то же время из-за хаотичности движения частиц в левой камере направление вылета отдельных молекул будет самым различным.

Итак, если размеры щели меньше длины свободного пробега, получается «излучатель» отдельных молекул, движение которых происходит совершенно независимо. Если теперь поставить на пути молекул диафрагмы, то можно выделить узкий, почти параллельный пучок молекул.

С этим пучком можно проделать 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. Сейчас такой опыт показался бы даже несколько наивным, но в свое время он сыграл важную роль в экспериментальном обосновании теории. (Следует заметить, что на самом деле из-за сил земного тяготения траектории полета молекул отличаются, хотя и очень мало, от прямых линий. Этот эффект был обнаружен позднее в более тонких опытах с очень узкими пучками).

Необходимо подчеркнуть одно крайне важное свойство молекулярного пучка, которое позволило поставить еще более важные для науки опыты. Дело в том, что вылетающие через щель молекулы сохраняют то же распределение по энергиям и скоростям, которое они имели внутри камеры. Можно сказать поэтому, 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,— закона распределения молекул по скоростям. Гакой опыт был впервые проделан Б. Ламбертом в 1929 г. Ввиду особенной важности вопроса эксперименты в той или иной форме проводились позже неоднократно, показывая один и тот же результат. В настоящее время справедливость закона не подвергается сомнению, поэтому если при исследовании какого-либо объекта обнаруживают отклонения от него, то это свидетельствует о присутствии в изучаемом веществе молекул другого «сорта». Именно таким способом были, например, определены в парах LiF, LiBr и LiCI димеры и тримеры соответствующих молекул.

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

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