Дифракция атомов и молекул

ДИФРАКЦИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ, упругое рассеяние пучка атомов или молекул газом или поверхностью твёрдого тела с образованием пучков частиц, отклонённых от направления распространения начального пучка. При дифракции атомов и молекул взаимодействуют внешние электронные оболочки частиц пучка и мишени; характер рассеяния определяется потенциалом взаимодействия рассеиваемых и рассеивающих частиц. Обычно рассеянное излучение включает как упругие, так и неупругие компоненты взаимодействия.

Дифракция атомов и молекул была открыта в 1928-30 годах О. Штерном и немецким физиком И. Эстерманом в экспериментах по рассеянию пучков Ne, Не, Н, Н₂, D₂ и др. поверхностью галогенидов щелочных металлов и, как и дифракция электронов, явилась подтверждением реальности существования волн де Бройля. Для молекул лёгких газов с энергией порядка десятков мэВ длина волны де Бройля составляет около 0,1 нм, то есть сопоставима с межатомными расстояниями в молекулах и кристаллах, чем и объясняется возможность явления дифракции атомов и молекул (смотри Дифракция волн, Дифракционная решётка).

Для изучения дифракции атомов и молекул монокристаллическую (или газовую) мишень, играющую роль дифракционной решётки для направляемого на неё пучка атомов или молекул, помещают в камеру, в которой поддерживается высокий вакуум. Распределение в пространстве интенсивности провзаимодействовавших с мишенью частиц измеряется с помощью детекторов частиц. Дифракционные пучки наблюдаются при создании определённых условий (аналогичных Брэгга - Вульфа условию), что достигается изменением взаимной ориентации направления распространения первичного пучка, мишени (её кристаллографических плоскостей) и детектора. Упругие и неупругие составляющие в дифракционных пучках регистрируются, например, с помощью времяпролётного анализатора распределения частиц по скоростям.

Особенности дифракции атомов и молекул в сравнении с дифракцией электронов, дифракцией нейтронов и дифракцией других частиц связаны с наличием у атомов и молекул собственных линейных размеров порядка 0,1 нм, с их малой кинетической энергией, существованием внутренних электронных (а для молекул ещё и колебательных и вращательных) степеней свободы, возможностью различной пространственной ориентации молекул относительно дифракционной решётки мишени, со специфическими особенностями конкретного потенциала взаимодействия. Дифракция атомов и молекул, как и другие виды дифракции, используется для структурных исследований. Наличие у атомов и молекул значительных собственных размеров (сечение взаимодействия атомов Не или Н примерно в 10¹⁰ раз больше, чем у нейтрона) не позволяет им проникать в глубь образца, что даёт возможность исследовать структуру его поверхности, двумерные фазовые переходы, динамику поверхностной части кристаллической структуры, явления адсорбции и катализа, деформации внешних электронных оболочек в молекулах и кристаллах. При этом низкая кинетическая энергия частиц в пучках недостаточна для инициирования химических реакций на поверхности образца, которые часто происходят под действием электронов с энергиями 20-200 эВ.

В основе решения структурных задач с помощью дифракции атомов и молекул лежат те же методы, что и в других типах структурного анализа (рентгеновского структурного анализа, электронографии, нейтронографии): метод последовательных приближений, метод функций Паттерсона и др. Однако особенности дифракции атомов и молекул потребовали разработки новых приёмов и теоретических исследований, учитывающих особенности конкретной потенциальной кривой взаимодействия, размеры частиц, возможность их одновременного взаимодействия с несколькими частицами и  т.д.

Интерференционно-дифракционные явления, возникающие при рассеянии атомных и молекулярных пучков на газовых мишенях, лежат также в основе столкновительной спектроскопии. Изучение поверхностных структур и динамики кристаллической решётки с помощью дифракции атомов и молекул, а также столкновительная спектроскопия позволяют получать информацию, недоступную другим методам. Интерес к исследованию рассеяния газов различными мишенями стимулировался в 1950-60-е годы проблемами динамики разреженных газов. В современной технике используются сверхзвуковые молекулярные пучки с Маха числом около 10, с высокой интенсивностью и монохроматичностью.

Лит.: Флерова М. Н. Дифракция молекулярных лучей от кристаллов // Успехи физических  наук. 1935.  Т. 15. Вып. 5; Никитин Е. Е., Овчинникова М. Я. Интерференционные явления в атомном рассеянии // Там же. 1971. Т. 104. Вып. 7; Engel Т., Rieder К. Н. Structural studies of surfaces with atomic and molecular beam diffraction // Structural studies of surfaces. В. а. о., 1982.