分子束(Molecular Beam)技術(shù)
分子束是什么?
分子束是高密度的氣體分子以幾乎相同的速度流向同一方向，因此分子束具有下列特性: (1) 氣體分子流量高，(2)所有分子以相同速度移動(dòng)，(3)所有分子都往同一方向移動(dòng)，因此分子間沒有碰撞。
如何產(chǎn)生分子束?
將氣體分子裝在高壓(數(shù)個(gè)大氣壓)的容器中，使氣體分子經(jīng)一小孔(直徑約100－500微米)噴向真空氣室，此即絕熱膨脹(isentropic expansion)的過程，也稱為超音速膨脹(supersonic expansion)。利用圓錐形金屬元件(skimmer)選擇在中間大約一厘米直徑的分子流，這就是分子束。
脈沖分子束源的主要元件為一脈沖式氣體閥門;閥門關(guān)閉時(shí)，高壓腔體與真空室互相隔離，閥門打開時(shí)，氣體由高壓腔內(nèi)經(jīng)噴嘴沖入真空室中。若高壓腔壓力夠高，出口的洞夠小，便可達(dá)自由膨脹(Free expansion)條件，產(chǎn)生超音速分子束。產(chǎn)生脈沖分子束的脈沖閥種類很多，我們使用的脈沖閥(General Valve Corp , Series 9)是利用螺線型(solenoid mechanism)電導(dǎo)的機(jī)械原理所制成，此脈沖閥是由一臺(tái)脈沖閥控制器控制脈沖閥的頻率及觸發(fā)時(shí)間。一般實(shí)驗(yàn)設(shè)定觸發(fā)開啟時(shí)間為100 microseconds，頻率為10 Hz。因?yàn)槊}沖式的單位分子密度(molecular density)比連續(xù)式的高，且分子速度分布較窄，容易裝配，背景雜訊低，所需的抽氣泵不必具很高的抽氣速率，比較符合經(jīng)濟(jì)效益。我們采用的脈沖閥的出口噴嘴直徑是0.15 mm，頂端角度為30度，在噴嘴(nozzle)之前10.5mm的地方，裝有一個(gè)高20mm，頂口直徑1mm，底部直徑20mm的圓錐狀撇取器(skimmer)，中間部分的超音速分子經(jīng)此撇取器就是分子束。
分子束技術(shù)有何用處?
在光解離或化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué)研究方面，此技術(shù)可用來產(chǎn)生單一分子碰撞事件，背景干擾小，偵測的靈敏度也大為提高。在分子光譜學(xué)研究方面，由于分子束的產(chǎn)生是經(jīng)由絕熱膨脹的過程，分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的機(jī)率都降到很低，也就是說分子可被制備在幾乎不轉(zhuǎn)動(dòng)也不振動(dòng)的基態(tài)，因此可使分子光譜的解析度大為提高，有利于分辨復(fù)雜的化學(xué)分子。分子束技術(shù)也可用來制備原子或分子團(tuán)簇，因?yàn)槠湮锢砑盎瘜W(xué)性質(zhì)特殊，這原子或分子團(tuán)簇近年來也被稱為物質(zhì)的第五態(tài)，所以此技術(shù)提供新物質(zhì)及材料的研究領(lǐng)域。例如鈷原子團(tuán)簇可作業(yè)石油裂解的催化劑，銀原子團(tuán)簇在照相底片的成像過程扮演極重要的角色，碳六十團(tuán)簇可能是未來的奈米材料，大氣中酸雨的形成也和水及其它分子團(tuán)簇有相關(guān)。在工業(yè)應(yīng)用方面，分子束技術(shù)也可用蒸鍍薄膜，與半導(dǎo)體產(chǎn)品制造極有關(guān)聯(lián)。
參考資料:
1. “Molecular Beams”, Norman F. Ramsey, Oxford University Press, New York, 1956.
2. “Molecular Beams and Low Density Gasdynamics”, Peter P. Wegener (ed.), Marcel Dekker, Inc., New York, 1974.
3. “Atomic and Molecular Beam Methods”, Giacinto Scoles (ed.), Oxford University Press, New York, 1988.
