2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——分子束激光光譜技術(shù)及其應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內(nèi)）1.在分子束實驗中，獲得高純度分子束的主要技術(shù)手段是？A.高溫蒸發(fā)B.蒸發(fā)冷卻C.蒸發(fā)法提純D.離子轟擊提純2.與連續(xù)波激光器相比，脈沖激光器的主要優(yōu)勢之一是？A.能量密度高B.相干性好C.亮度低D.穩(wěn)定性差3.在分子束激光吸收光譜（MBLAS）實驗中，利用快電子束與分子束碰撞產(chǎn)生信號的主要物理過程是？A.散射B.激發(fā)C.電離D.光電子發(fā)射4.分子束激光誘導(dǎo)熒光（MBLIF）技術(shù)中，探測到的熒光信號主要來源于？A.分子碰撞弛豫B.分子自發(fā)輻射C.分子受激輻射D.電子束能量損失5.分子束激光光譜技術(shù)特別適用于研究反應(yīng)中間體，其主要原因是？A.分子束源溫度高B.可實現(xiàn)超低溫條件C.反應(yīng)速度快D.儀器結(jié)構(gòu)簡單6.以下哪一項不是分子束激光光譜技術(shù)的典型應(yīng)用領(lǐng)域？A.精密測量基本物理常數(shù)B.大氣中痕量氣體檢測C.高溫等離子體診斷D.分子結(jié)構(gòu)與動力學(xué)研究7.在MBLAS實驗中，若要測量某個譜線的精細結(jié)構(gòu)，通常需要？A.使用窄線寬激光器B.使用寬線寬激光器C.降低分子束溫度D.增加分子束流強度8.MBLIF技術(shù)相比MBLAS，其主要優(yōu)點之一是？A.對樣品純度要求更高B.更容易探測到低對稱性分子C.可獲得更高的分辨率D.更適用于研究反應(yīng)動力學(xué)快的過程9.分子束外延（MBE）技術(shù)中，利用MBLIF進行生長過程監(jiān)控主要是通過探測？A.未反應(yīng)前驅(qū)體分子B.生成的表面原子C.生長的薄膜中的特定分子D.真空腔內(nèi)殘留氣體10.下列哪種分子束光譜技術(shù)更適合用于探測與表面相互作用較強的分子？A.脈沖激光解吸光譜（PLDS）B.分子束激光吸收光譜（MBLAS）C.分子束激光誘導(dǎo)熒光（MBLIF）D.激光光聲光譜（LPA）二、填空題（請將答案填入橫線上）1.分子束源通常需要處于______的工作環(huán)境，以減少背景氣體對實驗的干擾。2.激光器產(chǎn)生激光的三個必要條件是______、______和光諧振腔。3.在MBLAS中，通過測量與分子束方向______的電子束的能量損失（或散射角）來探測分子吸收。4.MBLIF信號通常具有______的特點，即發(fā)射光譜與激發(fā)光譜在形式上相似。5.分子束激光光譜技術(shù)之所以能實現(xiàn)高分辨率，主要是因為它可以在______條件下研究分子。6.利用MBLIF技術(shù)可以探測到反應(yīng)過程中壽命______的中間體。7.分子束激光光譜技術(shù)在研究冷分子物理方面具有獨特優(yōu)勢，例如可以制備______的分子束。8.除了MBLAS和MBLIF，分子束激光光譜技術(shù)還包括利用激光誘導(dǎo)______光譜等。9.在MBE生長過程中，利用MBLIF可以實時監(jiān)測______的形成和演化。10.分子束激光光譜技術(shù)的核心在于將______與______技術(shù)相結(jié)合。三、簡答題（請簡要回答下列問題）1.簡述分子束技術(shù)與常規(guī)氣相光譜技術(shù)相比的主要優(yōu)勢。2.解釋分子束激光誘導(dǎo)熒光（MBLIF）的原理，并說明其與分子束激光吸收光譜（MBLAS）的主要區(qū)別。3.簡述利用分子束激光光譜技術(shù)研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的一般思路。4.為什么說分子束激光光譜技術(shù)特別適合用于研究分子結(jié)構(gòu)與能級？5.簡述分子束激光光譜技術(shù)在材料科學(xué)中的一個典型應(yīng)用實例。四、計算題（請列出必要的公式和計算步驟）1.假設(shè)一分子在激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能級差為ΔE=0.5eV?，F(xiàn)用一束頻率為ν=6×10^14Hz的激光照射該分子束，設(shè)激光波長為λ。請計算：a)該激光的光子能量E_photon。b)分子吸收該激光發(fā)生躍遷時，其反沖速度v的大小。（設(shè)分子質(zhì)量m=2.5×10^-26kg）c)如果實驗中探測到吸收信號對應(yīng)的反沖方向與激光方向夾角為θ=30°，請定性說明這可能與分子的哪個躍遷選擇性有關(guān)。2.在一個MBLAS實驗中，使用能量為E_e=5keV的電子束轟擊分子束。已知電子束與分子束的夾角為α=90°，探測到最大能量損失ΔE_max=0.2eV的信號。假設(shè)電子束入射方向與分子束運動方向垂直。請簡述產(chǎn)生該能量損失信號的可能物理過程，并討論該能量損失值提供的信息。五、論述題（請圍繞下列問題展開論述）1.論述分子束激光光譜技術(shù)（以MBLAS和MBLIF為例）在研究冷分子物理和飛秒化學(xué)中的重要作用和獨特優(yōu)勢。2.比較分子束激光吸收光譜（MBLAS）和激光光聲光譜（LPA）在原理、儀器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方面的異同。3.展望分子束激光光譜技術(shù)在未來科學(xué)研究或技術(shù)發(fā)展中的潛在發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.C4.B5.B6.C7.A8.B9.C10.A二、填空題1.高真空2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射3.垂直4.對稱5.超低溫6.短7.近絕對零度8.離散（或電離）9.組件/原子層10.分子束，激光三、簡答題1.解析思路：對比分子束源與普通氣相環(huán)境的差異。分子束源提供超高真空和精確控制的低分子流密度，有利于減少背景氣體干擾，提高反應(yīng)物純度；同時，分子束速度接近光速，碰撞時間短，有利于研究快過程和瞬態(tài)中間體；超低溫分子束可實現(xiàn)基態(tài)與激發(fā)態(tài)分離，利于高分辨率譜學(xué)。常規(guī)氣相環(huán)境背景氣體多，分子流密度不易控制，碰撞時間長，難以實現(xiàn)超低溫，分辨率較低。2.解析思路：解釋MBLIF原理，即分子吸收激光激發(fā)后，通過自發(fā)輻射返回基態(tài)（或其他低激發(fā)態(tài)），探測其發(fā)射的熒光。說明MBLAS原理，即利用快電子束與分子碰撞，通過測量電子束的能量損失（反沖譜）或散射角來探測分子吸收。區(qū)別在于MBLIF是探測發(fā)射光，MBLAS是探測散射電子或能量損失電子，探測對象不同。3.解析思路：描述研究流程。首先，利用分子束技術(shù)制備特定狀態(tài)（如基態(tài)）的反應(yīng)物分子束。其次，用激光束照射分子束，選擇性激發(fā)反應(yīng)物或中間體。然后，通過時間分辨探測技術(shù)（如MBLIF的延遲探測）監(jiān)測激發(fā)態(tài)分子或反應(yīng)中間體的信號隨時間的變化。最后，結(jié)合動力學(xué)模型分析數(shù)據(jù)，確定反應(yīng)速率常數(shù)、機理等信息。4.解析思路：闡述超低溫分子束的優(yōu)勢。分子束技術(shù)可以在極低溫度下（接近絕對零度）傳輸分子，此時分子處于基態(tài)，能級結(jié)構(gòu)清晰，躍遷頻率高，譜線寬度窄，分辨率極高。同時，背景氣體效應(yīng)被抑制，有利于研究純分子體系及其相互作用，從而精確測定分子結(jié)構(gòu)常數(shù)（如轉(zhuǎn)動常數(shù)、振動頻率）和能級。5.解析思路：舉例說明。例如，在分子束外延（MBE）生長半導(dǎo)體或超導(dǎo)薄膜時，利用MBLIF技術(shù)可以實時、原位地探測生長表面特定吸附物種（如原子、分子、團簇）的形成和覆蓋度變化，從而精確控制薄膜的組分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，實現(xiàn)高質(zhì)量的器件制備。四、計算題1.解析思路：a)E_photon=hv=6×10^14Hz×(6.626×10^-34Js)/(1.602×10^-19C)≈2.5eVb)動量守恒：mv=me'v'。v'=mv/me=(m/me)c*sin(θ)。v=(m/me)c*sin(θ)=(2.5×10^-26kg/9.11×10^-31kg)×(3×10^8m/s)×sin(30°)≈2.5×10^3m/sc)反沖方向與激光方向垂直（θ=90°）對應(yīng)于分子在激光方向上的振動躍遷（對于同核雙原子分子，垂直于鍵軸的振動躍遷偶極矩為零，不能發(fā)生吸收）。而探測到非垂直方向的反沖（θ≠90°）可能對應(yīng)于平行于激光方向或具有角動量選擇的振動躍遷，這些躍遷具有非零的偶極矩，可以被激光激發(fā)。2.解析思路：當5keV電子束與分子束垂直碰撞時，電子將部分能量傳遞給分子，使其反沖。探測到的0.2eV能量損失對應(yīng)于分子吸收了這部分能量躍遷到某個激發(fā)態(tài)。該能量損失值提供了分子吸收光譜的信息，可以用來識別分子種類或其振動/轉(zhuǎn)動能級。具體物理過程可能是電子與分子相互作用導(dǎo)致的彈性或非彈性散射。0.2eV對于分子激發(fā)態(tài)來說是一個較小的能量，可能對應(yīng)于振動激發(fā)或轉(zhuǎn)動能級躍遷。五、論述題1.解析思路：a)冷分子物理：利用分子束技術(shù)可以制備溫度極低（接近0K）的分子束，使分子處于基態(tài)，能級結(jié)構(gòu)清晰，躍遷頻率極高，有利于實現(xiàn)超高分辨率譜學(xué)，精確測量基本物理常數(shù)（如精細結(jié)構(gòu)常數(shù)、普朗克常數(shù)），并研究少體問題、量子簡并氣體等前沿物理現(xiàn)象。MBLIF等技術(shù)可以直接探測短壽命（飛秒量級）的分子態(tài)和反應(yīng)中間體，揭示冷分子體系的動力學(xué)過程。b)飛秒化學(xué)：化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)過程通常發(fā)生在飛秒到皮秒時間尺度。利用分子束技術(shù)可以制備處于特定量子態(tài)的反應(yīng)物，并通過超快激光脈沖進行選擇性激發(fā)或探測。MBLAS和MBLIF等技術(shù)結(jié)合飛秒激光，可以“凍結(jié)”化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)過程，實時追蹤反應(yīng)中間體、過渡態(tài)的形成與消亡，揭示化學(xué)反應(yīng)的真實機理，實現(xiàn)從“結(jié)構(gòu)化學(xué)”到“動力學(xué)化學(xué)”的跨越。綜上，MBLST在超低溫和超快時間尺度上結(jié)合了高分辨率探測和精確的分子制備能力，為冷分子物理和飛秒化學(xué)的研究提供了強大的工具。2.解析思路：a)原理：MBLAS基于分子束與快電子束碰撞，通過測量散射電子的能量損失（反沖譜）探測分子吸收；LPA基于光照射樣品產(chǎn)生熱波，通過測量熱波信號（光聲信號）探測材料吸收。兩者都是利用與待測物相互作用產(chǎn)生的可探測信號來反演出吸收特性。b)儀器：MBLAS需要分子束源、電子槍、能量分析器或散射角測量裝置、真空系統(tǒng)等；LPA通常需要激光器、光學(xué)系統(tǒng)、聲光探測器、鎖相放大器、真空系統(tǒng)等。c)應(yīng)用：MBLAS主要用于氣體分子的高分辨率光譜研究、反應(yīng)動力學(xué)、表面科學(xué)等；LPA應(yīng)用更廣泛，包括氣體、液體、固體、液體界面等多種樣品，在環(huán)境監(jiān)測（氣體檢測）、醫(yī)學(xué)診斷（組織成像）、材料分析（成分、厚度、光學(xué)性質(zhì)）等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。相同點：都是非侵入式光譜技術(shù)，基于物質(zhì)對特定能量的吸收。不同點：相互作用機制不同（電子碰撞vs光熱轉(zhuǎn)換），樣品要求不同（MBLAS需分子束源，LPA更通用），探測信號不同（電子能量損失vs聲波），應(yīng)用側(cè)重點不同。3.解析思路：a)超高分辨率：繼續(xù)發(fā)展更高功率、更窄線寬的激光器，結(jié)合高靈敏度探測器，實現(xiàn)飛秒激光精密調(diào)諧，突破經(jīng)典分辨率極限，用于探測量子結(jié)構(gòu)、奇異分子、化學(xué)反應(yīng)細節(jié)。b)超快動力學(xué)：將MBLST與更短（亞飛秒）激光、電子源、同步輻射等結(jié)合，實現(xiàn)更高時間分辨率的反應(yīng)動力學(xué)研究，