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Lexikon der Optik: Molekularstrahlspektroskopie

Molekularstrahlspektroskopie, eine Methode der hochauflösenden Spektroskopie in Gasen unter stoßfreien Bedingungen. Die Spektroskopie von Atomen und Molekülen in einem Atom- bzw. Molekularstrahl bietet eine Reihe von Vorteilen, so daß sie – trotz des größeren experimentellen Aufwandes – in zunehmendem Maße anstelle bzw. in Ergänzung zu der konventionellen, mit Gaszellen arbeitenden Spektroskopie eingesetzt wird. Durch Ausblenden ("Abschälen" mit dem Skimmer nach Austritt aus der Düse) eines Strahlbündels mit geringer Divergenz (Öffnungswinkel ψ) läßt sich die durch den Doppler-Effekt verursachte relative Linienverbreiterung auf kleine Werte ΔνD0=(v/c)ψ begrenzen, wobei ν0 die Frequenz der Atom- bzw. Moleküllinie, v die Teilchen- und c die Lichtgeschwindigkeit bedeuten (Abb.). Damit kann das spektrale Auflösungsvermögen um bis zu 2 Größenordnungen im Vergleich zu Zellenmessungen erhöht werden (Doppler-freie Laserspektroskopie).

Stöße der Gasteilchen im Strahl finden nur unmittelbar nach dem Austritt aus der Düse und in beschränktem Maße am Skimmer statt, ansonsten fliegen die Teilchen bei hinreichend gutem Vakuum nahezu stoßfrei durch die Apparatur. Insbesondere in dem Wechselwirkungsbereich mit dem Lichtstrahl (Abb.) können Stoßprozesse praktisch vernachlässigt und damit spektroskopische Messungen (in Absorption oder Emission) ohne die sonst störenden Einflüsse der Stöße ausgeführt werden. Ein weiterer Vorteil der M. ergibt sich, wenn das zu untersuchende Gas mit Überschallgeschwindigkeit durch die Düse ausströmt. Die adiabatische Expansion vom Ausgangsdruck p0 auf den Enddruck p führt dann als Folge der Stoßprozesse im Düsenbereich zu einer Verringerung der Gastemperatur von T0 auf T entsprechend der Beziehung T/T0=(p/p0)(1-κ)/κ. Dabei ist κ der Adiabatenkoeffizient des betreffenden Gases. Die Kühlung des Gases im Überschall-Molekularstrahl, die auf Temperaturen bis unter 0,01 K erfolgnn kann, führt wegen der Reduzierung der Anzahl der thermisch besetzten Molekülniveaus zu einer drastischen Vereinfachung der gemessenen Molekülspektren, was für deren Interpretation von erheblichem Vorteil ist.



Molekularstrahlspektroskopie: Schematische Darstellung einer Molekularstrahlanordnung. p0, T0 Ausgangsdruck bzw. -temperatur.

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