Молекулярні і атомні пучки, направлені потоки молекул або атомів, рухомих у вакуумі практично без зіткнень один з одним і з молекулами залишкових газів. М. і а. п. дозволяють вивчати властивості окремих часток, нехтуючи ефектами, обумовленими зіткненнями, окрім тих випадків, коли самі зіткнення є об'єктом досліджень.
Перший експеримент з атомним пучком був здійснений в 1911 французьким вченим Л. Дюнуайе, який продемонстрував прямолінійний проліт у вакуумі атомів Na. Надалі ці експерименти були продовжені О. Штерном із співробітниками в Гамбурзі (1929), які використовували М. і а. п. для виміру швидкості молекул і ефективних перерізів їх зіткнень один з одним, а також для дослідження явищ, обумовлених електронними спинами і магнітними моментами атомних ядер (див. Ядро атомне ) . В 1937 І. Рабі використовував М. і а. п. у винайденому їм резонансному методі, який спочатку застосовувався для виміру магнітних моментів ядер (1937—40), а надалі став основним методом радіоспектроскопії, що дозволив виміряти з великою точністю фундаментальні характеристики молекул, атомів і атомних ядер (Н. Рамзей і ін.).
Джерело, в якому формуються М. і а. п., є камерою, сполученою з високовакуумним об'ємом за допомогою отвору в тонкій стінці або вузького капіляра в товстій стінці. Досліджувані молекули або атоми вводяться в камеру джерела у вигляді газу або пари при тиску декілька мм рт. ст. Для формування М. і а. п. тиск газу в джерелі має бути достатнє малим, щоб середня довжина l вільного пробігу часток усередині джерела була рівна або дещо більше діаметру сполучного отвору. В цьому випадку частки вилітають з джерела незалежно один від одного. Для капіляра довжина l має бути соїзмеріма також з довжиною капіляра. Надмірне збільшення l за рахунок зменшення тиску в джерелі, не покращуючи істотно властивостей М. і а. п., зменшує їх інтенсивність. Для збільшення інтенсивності пучків застосовують джерела з декількома отворами або капілярами, відстань між якими має бути дещо більше їх діаметру. Зіткнення з частками залишкового газу руйнують М. і а. п. тим швидше, чим гірше вакуум. Довжина М. і а. п. в ідеальному вакуумі була б надзвичайно велика, оскільки можливі були б лише зіткнення «наздоганяння».
Молекулярна взаємодія. Метод М. і а. п. дає можливість детально вивчати акт зіткнення між двома частками, на відміну від хімічних і газодинамічних методів, в яких із-за множинних зіткнень часток один з одним спостерігаються лише усереднені ефекти.
В деяких з цих експериментів вимірюються ефективні перерізи пружних і непружних зіткнень часток, рухомих під різними кутами і з різними швидкостями. У ін. експериментах спостерігаються хімічні реакції між частками і вивчається кутовий і енергетичний розподіл продуктів реакції (Лестер, 1971; Дж. Рос, 1966; Р. Дж. Гордон і ін., 1971). Типовий експеримент другого роду показаний на мал. 1 . Атоми водню вилітають з джерела у вакуумну камеру, де вони стикаються з двоатомними молекулами лужного металу, наприклад К 2 . Кутовий розподіл продуктів реакції вимірюється за допомогою детекторів з поверхневою іонізацією (гарячі нитки Pt і W). Т. до. вольфрамовий детектор однаково чутливий до часток K 2 і KOH, а платиновий — менш чутливий до KOH, то, комбінуючи обидва детектори, можна розрізняти ці молекули. Інколи М. і а. п. заздалегідь поляризують або, навпаки, вимірюють поляризацію, що з'являється. У деяких експериментах досліджується збудження коливальних рівнів енергії в продуктів реакції.
Резонансні експерименти (метод Рабі). Частки, вилітавши з джерела у вакуум (13,3 мн/м-код 2 або 10 -7 мм рт. ст. ) , пролітають через неоднорідне магнітне поле, що створюється магнітом А ( мал. 2 ). Неоднорідне поле А скривлює їх траєкторії, що обумовлене взаємодією їх магнітних моментів з неоднорідним магнітним полем. Далі частки пролітають через коліматор і потрапляють в область детектора, де відбувається компенсація викривлення траєкторії в неоднорідному магнітному полі, що створюється магнітом В . Конфігурація поля В в точності протилежна до конфігурації поля А . Для індентіфікациі молекул їх іонізують (електронним ударом) і пропускають через мас-спектрометр, після чого вони реєструються електронним помножувачем, сполученим з фазочутливим детектором. Плавно змінюючи частоту n коливань електромагнітного поля в зазорі магніта З , що створює однорідне магнітне поле, вимірюють інтенсивність пучка, що реєструється детектором. Якщо частота n задовольняє боровському умові:
n = ( E 2 — E 1 )/h, (1)
де h — Планка постійна, то молекули під дією електромагнітного поля, що збуджується в резонаторі Р, можуть переходити із стану з енергією E 1 в стан з енергією E 2 і назад.
Якщо по магнітних властивостях стан E 1 відрізняється від стану E 2 , то поле В після переходу молекули зазвичай компенсує відхилення, викликане полемо А , не для всіх молекул пучка; частина молекул, що випробувала перехід E 1 ® E 2 , рухається по траєкторії, показаній пунктиром ( мал. 2 ). При виконанні умови (1) інтенсивність, що реєструється детектором, має мінімум. Графік залежності інтенсивності від частоти є радіочастотним спектром часток. Знаючи резонансну частоту з умови (1), можна визначити рівні енергії молекул (див. Магнітний резонанс ) .
Метод параелектричного резонансу аналогічний методу магнітного резонансу за винятком того, що зміни траєкторії обумовлені взаємодією електричних моментів молекул з неоднорідними електричними полями, а квантові переходи між ними викликані коливаннями електричного поля в резонаторі. Інтенсивність пучка може бути збільшена за рахунок використання 4-полюсних або 6-полюсних електродів, що створюють просторове фокусування пучка. Застосовується також поєднання обох методів наприклад однорідне постійне електричне поле використовують в експериментах з магнітним резонансом, а однорідне магнітне поле в дослідах з параелектричним резонансом (До. Мак-Адан, Н. Рамзей і ін., 1972).
Експерименти з магнітним і параелектричним резонансами в М. і а. п. дали велика кількість інформації про будову молекул, атомів і атомних ядер. Цим методом були виміряні спини ядер, магнітні і електричні квадрупольні моменти стабільних і радіоактивних ядер. Зокрема, був виявлений електричний квадрупольний момент дейтрона, що вперше вказало на існування тензорних сил між елементарними частками. Була виміряна з високою точністю тонка структура атомних спектрів, внаслідок чого в експериментах з атомарним воднем був відкритий Лембовський зрушення, що послужило джерелом серії революційних теоретичних відкриттів в квантовою електродинаміці . Виміри надтонкої структури спектрів дали перші вказівки на аномальність магнітного моменту електрона, яка згодом була виміряна безпосередньо. У експериментах с М. і а. п. були здійснені два незалежні виміри постійною тонкої структури і отримано доки єдине доказ існування в ядер електричних октупольних моментів. Резонансні експерименти с М. і а. п. дозволили виміряти обертальні магнітні моменти і електричні дипольні моменти молекул, енергію взаємодії ядерних магнітних моментів з обертальними магнітними моментами молекул, залежність електричних і магнітних властивостей від орієнтації молекул; визначити квадрупольні моменти молекул, енергію меж'ядерних магнітних взаємодій в молекулах і так далі Частота коливань, відповідна лініям надтонкої структури магнітного резонансу в М. і а. п., є основою для визначення секунди в пасивних стандартах частоти (див. Квантові стандарти частоти, Квантовий годинник ) .
Можливість просторового фокусування М. і а. п., що містять частки в певних енергетичних станах за допомогою неоднорідних електричних або магнітних полів, дозволила використовувати М. і а. п. для накопичення часток в станах з вищою енергією (тобто для створення інверсії населенностей ) , що необхідне для здійснення мазера . Перший мазер був здійснений на пучку молекул аміаку (див. Молекулярний генератор ) . Мазер на пучку атомів водню широко використовувався як для дослідження атома водню, так і для створення активного квантового стандарту частоти.
Літ.: Сміт До. Ф., Молекулярні пучки, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1959; Рамзей Н., Молекулярні пучки пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1960; Kusch P., Huges V. W., Atomic and molecular beam spectroscopy, в кн.: Handbuch der Physik, Hrsg. von S. Flügge, Bd 37, Tl 1, B., [u. а.], 1959; Zorn J. C., English T. C., Methods of experimental physics, v. 3, N. Y., 1973.
