Що таке молекулярний пучок

Щоб зрозуміти, як він виходить, потрібно повернутися до картини руху молекул в газі. Із-за хаотичності зіткнень траєкторія польоту кожної молекули є зигзагоподібною лінією. Для величини відстані I між двома зіткненнями існує певний закон розподілу. Якщо підсумовувати дуже велике число величин h; h; h. і розділити результат на число зіткнень, то незалежно від того, з якою молекулою виконана ця уявна операція, завжди вийде одна і та ж величина, звана середньою довжиною вільного пробігу. З кінетичної теорії газів виходить, що вона назад пропорційна тиску газу. Середня довжина вільного пробігу грає вельми важливу роль в пристроях для отримання молекулярного пучка.

Уявимо собі судину, розділену непроникною перегородкою на дві камери. У лівій камері поміщений якийсь газ, а в правій підтримується вакуум. Виконаємо тепер в перегородці щілина, через яку може проходити газ, і розглянемо два випадки.

Перший випадок. Якщо розміри щілини значно перевищують довжину вільного пробігу, то маса газу спрямується з лівої камери в праву, утворюючи струмінь, що розширюється унаслідок зіткнень. Таке закінчення газу описується законами аеродинаміки і не має нічого спільного з молекулярним пучком.

Другий випадок. Зменшимо тиск газу в лівій камері настільки, щоб довжина вільного пробігу молекул перевищила розміри щілини. За таких умов молекула газу, пролітаючи через щілину, не встигне зіткнутися з іншою молекулою і, вийшовши в область вакууму, продовжуватиме прямолінійний рух до зіткнення із стінкою судини. Таке закінчення газу називається еффузіонним. Молекули, що вилітають через щілину, майже ніколи не зустрінуться (виключенням будуть тільки ті украй окремі випадки, коли швидкі молекули наздоганяють повільні, такі, що летять по тій же самій траєкторії). В той же час із-за хаотичності руху частинок в лівій камері напрям вильоту окремих молекул буде самим різним.

Отже, якщо розміри щілини менше довжини вільного пробігу, виходить "випромінювач" окремих молекул, рух яких відбувається абсолютно незалежно. Якщо тепер поставити на шляху молекул діафрагми, то можна виділити вузький, майже паралельний пучок молекул.

З цим пучком можна виконати багато цікавих і важливих дослідів. Ще в 1911 р. Л. Дюнуає експериментально підтвердив дослідами з молекулярним пучком одне з основних положень кінетичної теорії газу — прямолінійність руху молекул в проміжках між зіткненнями. Зараз такий досвід показався б навіть декілька наївним, але свого часу він зіграв важливу роль в експериментальному обгрунтуванні теорії. (Слід відмітити, що насправді із-за сил земного тяжіння траєкторії польоту молекул відрізняються, хоча і дуже мало, від прямих ліній. Цей ефект був виявлений пізніше в тонших дослідах з дуже вузькими пучками).

Необхідно підкреслити одну украй важливу властивість молекулярного пучка, яка дозволила поставити ще важливіші для науки досліди. Річ у тому, що молекули, що вилітають через щілину, зберігають той же розподіл по енергіях і швидкостях, яке вони мали усередині камери. Можна сказати тому, що молекулярний пучок — це просто зразок газу, узятий з камери-джерела в дуже зручному для дослідження вигляді. Легко зрозуміти, що це дає можливість експериментальної перевірки фундаментальнейшего закону кінетичної теорії газів, теоретично виведеного Максвеллом, - закону розподілу молекул за швидкостями. Гакой досвід був вперше виконаний Б. Ламбертом в 1929 р. Зважаючи на особливу важливість питання експерименти в тій або іншій формі проводилися пізніше неодноразово, показуючи один і той же результат. В даний час справедливість закону не береться під сумнів, тому якщо при дослідженні якого-небудь об'єкту виявляють відхилення від нього, то це свідчить про присутність в речовині, що вивчається, молекул іншого "сорту". Саме таким способом були, наприклад, визначені в парах LIF, Libr і LICI диміри і трімери відповідних молекул.

Все ж таки найяскравіший момент в історії досліджень молекулярного пучка — це досліди О. Штерна і в. Герлаха (1921 р.) з пучками атомів срібла в сильному неоднорідному магнітному полі. Вони довели просторове квантування магнітних моментів атомів і послужили одній з експериментальних основ квантової механіки, науки, що грає провідну роль в сучасній фізиці.

Важко навіть перерахувати в журнальній статті ті багатообразні можливості, які відкриває застосування методики молекулярного пучка в самих різних галузях експериментальної науки.

Джерело - збірка меблів зевс.

Інші статті