Образование и свойства свободных молекулярных кластеров Востриков, Анатолий Алексеевич

Введение к работе

Актуальность темы исследований. Кластерам! принято называть частицы конденсированной фазы столь малого размера, что их свойства заметно изменяются при изменении числа составляющих их атошз или молекул. В настоящее время еще нет общепринятой классификации кластеров. Предметом диссертационной работы явились свободные молекулярные кластеры, для которых характерна низкая энергия связи мецду молекулами, что требует специфических методов их экспериментального исследования. Появление кластеров в газовой фазе, как оказалось, приводит к образована нових каналов протекания различных физико-химических процессов. Особый интерес вызывает влияние кластеров на мекмолекулярный энергообмен, оптические и ионизационные свойства газовых ерзд. Отсутствие количественной, а во многих случаях, и качественной информации о формировании кластеров в различных условиях и ' свойствах кластеров затрудняет решение ряда академических задач (например, развитие теории конденсации, построение математических моделей атмосферных процессов и т.д.) и прикладных вопросов (например, в энергетике, лазерной технике, экологии атмосферы), -Получение информации о кластерах з значительной степени связано с созданием новых экспериментальных возможностей. Поэтому особое значение имеет развитие методов контролируемой генерации кластеров з широком диапазоне размеров, диагностики кластеров и процессов с участием кластеров.

К сокаленюэ, у нас в стране практически не проводились экспериментальные исследования по физике свободных молекулярных кластеров. Зто определило выбор теш диссертационной работы. В основу экспериментальных исследований был положен метод газодинамического (соплового) молекулярного пучка. Кластеры при определенных условиях образуются в сверхзвуковой струе газа (пара), из центральной трубки тока которой формируется пучок. Таким образом, этот метод позволяет в одной экспериментальной схеме получать и исследовать свойства кластеров в условиях высокого вакуума. Это принципиальное достоинство метода, так как обеспечивается возможность исследовать взаимосвязь кинетики конденсации и свойств кластеров.-Однако недостаток, а часто просто отсутствие необходимых данных об оптимальных условиях отбора кластирэванных пучков; условиях генерации кластеров в

сверхзвуковых струях, нерешенность методических вопросов регистрации свободных кластеров затрудняли использование метода соплового пучка.

В основу диссертационной работы легли оригинальные исследования автора комплекса следующих актуальных взаимосвязанных вопросов: конденсации (генерации кластеров) молекулярных газов (НпО, СОр, /VpO, CFpCfcrj, S Fg) в струе за звуковыми соплами, формирования кластированных пучков и проявления свойств кластеров в неравновесных процессах взаимодействия с колебательно возбужденными молекулами, поверхностью и электронами. Поскольку экспериментальная реализация тех или иных идей требовала новых методических и технических решений, то и этим вопросам в диссертации уделено определенное внимание.

Цель и основные задачи работы. Целью работы было получение новых экспериментальных данных о физических свойствах молекулярных кластеров и условиях их генерации в свободных струях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Создать экспериментальный комплекс, включающий современную крупномасштабную установку для получения молекулярного пучка газодинамическим методом, схемы и устройства, обеспечивающие диагностику кластеров;

2. Разработать экспериментальные методы, обеспечивающие новые возможности в исследовании кластеров;

3. Провести следующие экспериментальные исследования:

формирования кластированных пучков газодинамическим методом;

конденсации ряда молекулярных.газов в струях за звуковыми соплами;

колебательной релаксации в гетерогенной системе молекула-кластер в условиях свободного расширения;

конденсации и динамики рассеяния кластеров на твердой поверхности;

ионизации кластеров и прилипания к ним электронов в парных столкновениях электрон-кластер;

вторичных процессов, связанных с ионизацией кластеров электронным ударом.

Выбор объектов исследования.. Исследования проведены с НоО,

/УоО, СО? ^и более сложными молекулами 5 Fg и CFCg. Кластеры этих веществ легко образуются в различных газодинамических системах, атмосфере, присутствуют в ряде технологических процессов.

Научная, новизна работы состоит в том, что впервые п ставлена и решена задача комплексного исследования генерации и свойств свободных молекулярных кластеров в одной экспериментальной схеме - схеме соплового молекулярного пучка. Впервые реализовано сочетание экспериментальных методик, позволяющих исследовать образование кластеров, гас параметры и свойства. Впервые проведено расчетное исследование генерации молекулярных кластеров в свободной струе и параметров кластировакных пучков, основанное на реальных свойствах кластеров. Впервые получены эмпирические и расчетные выражения, обобщающие переход к развитой конденсации в струях за звуковыми соплаї.ш, данные о фазовом состоянии и формировании порядка кластеров, и получена количественная информация о механизме и константах ряда ионизационных, релаксационных и столкновительных процессоз с участием кластеров катионов и анионов. Удалось обнаружить следующие ранее неизвестные свойства кластеров: эффект быстрой колебательной релаксации молекул в кластерах, подзеркальное лепестковое рассеяние на поверхности собственного конденсата, сольватация электронов в кластерах, образование и разделение зарядов в кластерах воды при рассеянии на поверхности. Принципиально ванным и новил является проведение исследований в широком диапазоне размеров кластеров, что позволило проявить эффект размера кластеров в виде зависимостей полученных данных от среднего числа молекул в кластерах.

Практически все результаты научных исследований, представленных в диссертации, получены в СССР впервые, а значительная часть впервые б мировой науке.

Подученные экспериментальные и расчетные результаты, установленные закономерности и их интерпретация определяют основные начищаемые положения. На защиту выносятся:

4. Метода, результаты и рекомендации по формированию и первичной регистрации '«вотированных пучков; методы исследования параметров и свойств кластеров.

5. Результаты экспериментального и расчетного ксследова-

ния конденсации параметров пучка и кластеров, способ определения и результаты обобщения параметров газа в источнике, соответствующих переходу к развитой конденсации.

3. Результаты измерения среднего размера кластеров в пучке.

4. Результаты болометрических измерений фазового состояния кластеров и энергии связи молекул в кластерах.

5. Результаты исследования роли кластеров в кинетике колебательной релаксации молекул.

6. Результаты исследования конденсации и динамики рассеяния кластеров на поверхности.

7. Явление электризации кластеров и поверхности при рассеянии нейтральных кластеров воды.

8. Результаты измерения абсолютных сечений образования кластерных катионов и анионов в пересекающихся пучках кластеров и электронов.

9. Результаты масс-спектрометричзских измерений в класти-рованных пучках.

Достоверность получаемых экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных методов и техники физического эксперимента, а именно молекулярных и электронных пучков, масс-спектрометрии, болометрической, лазерной и оптической техники, фазочувствительного детектирования, а расчетных данных - сравнением с экспериментом, а также подтверздает-ся последующими работами советских и зарубежных авторов.

Научная и практическая ценность полученных результатов.-Полученные результаты носят, в первую очередь, фундаментальный характер и важны для

дальнейшего развития теории гомогенной конденсации;

построения физических моделей, описывающих переход свойств отдельных структурных единиц к свойствам такроколичеств конденсированного вещества;

описания физико-химических свойств газовых сред с кластерами.

Они позволяют глубже понять ряд принципиальных вопросов существующих в разрыве между молекулярной физикой и физикой конденсированного состояния веществ, таких как:

- влияние внутренних степеней свободы молекул' на формиро-

ванне частиц конденсированной фазы;

влияние кластеров на иэлучательние свойства^среды;

влияние кластеров на ионизационные свойства среды^-

особенности взаимодействия молекул в связанной в . ласте-рах состоянии с поверхностью твердого тела.

Полученное в диссертации результаты нашли применение в работе ряда исследовательских групп у нас в странз и за рубежом, использовались в экспериментальных и теоретических работах прикладного характера.

Исследования, представленные в диссертации, выполнены в лаборатории разрешенных газов Института теплофизики Сибирского отделения АН СССР в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института. Б основном,работа выполнена силами группы ыолэкулярно-пучкових исследований, которой автор руководит с 1976 года.

Автор глубоко признателен всем, кто прилял участие в отой работе и разделил радость успехов и горечь неудач, кто оказал моральную поддержку. Автор считает своим долгом выразить благодарность зав.лабораторией профессору А.К.Реброву, который определил направление научных интересов автора, оказывал помощь и поддеркку.

Личный вклад автора в развитие физики свободных кластеров заключается в формировании единого подхода, включающего исследования генерации и свойств кластеров, и в получении большого числа принципиально новых данных об образовании и свойствах свободных молекулярных кластеров на созданном в работе экспериментальной и методической базах. Исследования и методические разработки выполнены в значительной части под научным руководством автора и полностью при его непосредственном участии.

Апробация работы. Результаты исследований, включенных в диссертацию, обсуждались на Всесоюзных конференциях по динамике разреженного газа (Звенигород, 1975, Новосибирск, 1979, .Москва, Ї985, Свердловск, 1987), Международных симпозиумах по динамике разрешенного газа (США, 1975, Фракция, 1978, Новосибирск, Ї982, США, Ї988), Всесоюзных конференциях по физике электронных и атомных столкновений (Петрозаводск, 1978, Ленинград, I9SI, Рига, 1984, Ужгород, 1988), Международных симпозиумах по молекулярным пучкам (Нидерланды, 1977, Италия, 1979, Франция, 1981), Всесоюзных конференциях по методам азрофизичзеккх исследований Шовоси-

бирск, 1979, Красноярск, 1982), Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии (Ленинград, І980), Всесоюзной научно-технической конференции: "Новые разработки и исследования струйных, механических, электрофизических, сорбционных и других типов вакуумных насосоз" (Казань, 1972), Всесоюзном семинаре "Криогенные средства получения высокого вакуума" (Харьков, Ї977), Всесоюзном съезде го теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981), Ыевдународной конференции по шлым частицам и неорганическим кластерам (Швейцария, Ї989), Всесоюзной конференции по поверхностным явлениям в жидкости (Ленинград, 1978), Всесоюзном симпозиум по лазерной химии (Звенигород, 1980), Совещании по лазерному разделению изотопов (Еакуриани, 1979, 1980, 1981), Всесоюзних конференциях по взаимодействию атомных частиц с твердьм телом (Минск, І981, Москва, 1987), Всесоюзной конференции по-эмиссионной электронике (Ташкент, 1984), Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1982), Всесоюзных школах по моделям механики сплошной среды (Алма-Ата, 1981, Кабуле-ти, 1983), Всесоюзном симпозиуме по динамике атомно-молекуляр-ных процессов (Черноголовка, 1983, 1985), Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1986), семинаре "Физическая газодинамика конденсирующихся систем" (МАИ, 1986), Всесоюзной конференции по низкотемпературной плазме (Ташкент, 1987), Теплофизическом семинаре "Физика кластеров в газовой фазе" (Новосибирск, 1987).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Содержит 275 страниц основного текста, 173 рисунка, 5 таблиц. Список цитированной литературы содержит 388 наименований.