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分子束(Molecular Beam)技术

分子束(Molecular Beam)技术

分子束是什么?
分子束是高密度的气体分子以几乎相同的速度流向同一方向，因此分子束具有下列特性: (1) 气体分子流量高，(2)所有分子以相同速度移动，(3)所有分子都往同一方向移动，因此分子间没有碰撞。

如何产生分子束?
将气体分子装在高压(数个大气压)的容器中，使气体分子经一小孔(直径约100－500微米)喷向真空气室，此即绝热膨胀(isentropic expansion)的过程，也称为超音速膨胀(supersonic expansion)。利用圆锥形金属元件(skimmer)选择在中间大约一厘米直径的分子流，这就是分子束。
脉冲分子束源的主要元件为一脉冲式气体阀门;阀门关闭时，高压腔体与真空室互相隔离，阀门打开时，气体由高压腔内经喷嘴冲入真空室中。若高压腔压力够高，出口的洞够小，便可达自由膨胀(Free expansion)条件，产生超音速分子束。产生脉冲分子束的脉冲阀种类很多，我们使用的脉冲阀(General Valve Corp , Series 9)是利用螺线型(solenoid mechanism)电导的机械原理所制成，此脉冲阀是由一台脉冲阀控制器控制脉冲阀的频率及触发时间。一般实验设定触发开启时间为100 microseconds，频率为10 Hz。因为脉冲式的单位分子密度(molecular density)比连续式的高，且分子速度分布较窄，容易装配，背景杂讯低，所需的抽气泵不必具很高的抽气速率，比较符合经济效益。我们采用的脉冲阀的出口喷嘴直径是0.15 mm，顶端角度为30度，在喷嘴(nozzle)之前10.5mm的地方，装有一个高20mm，顶口直径1mm，底部直径20mm的圆锥状撇取器(skimmer)，中间部分的超音速分子经此撇取器就是分子束。

分子束技术有何用处?
在光解离或化学反应动态学研究方面，此技术可用来产生单一分子碰撞事件，背景干扰小，侦测的灵敏度也大为提高。在分子光谱学研究方面，由于分子束的产生是经由绝热膨胀的过程，分子的转动和振动的机率都降到很低，也就是说分子可被制备在几乎不转动也不振动的基态，因此可使分子光谱的解析度大为提高，有利于分辨复杂的化学分子。分子束技术也可用来制备原子或分子团簇，因为其物理及化学性质特殊，这原子或分子团簇近年来也被称为物质的第五态，所以此技术提供新物质及材料的研究领域。例如钴原子团簇可作业石油裂解的催化剂，银原子团簇在照相底片的成像过程扮演极重要的角色，碳六十团簇可能是未来的奈米材料，大气中酸雨的形成也和水及其它分子团簇有相关。在工业应用方面，分子束技术也可用蒸镀薄膜，与半导体产品制造极有关联。

参考资料:
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.

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