|
| Томографическая реконструкция орбитали показывает плотность вероятности областей, в которых электрон может быть наиболее вероятно найден. Красные области показывают наибольшее положительное значение волновой функции, синие - наиболее отрицательные. |
Исследователи утверждают, что метод, который создает изображение положений электронов в молекуле, может привести к лучшему пониманию механизма химических реакций.
Джиро Итатани (Jiro Itatani) c коллегами из Института Молекулярных Наук (Оттава, Канада) использовали фемтосекундные лазерные импульсы и вычислительную томографию для получения изображения электронных орбиталей молекулы водорода.
Для получения этого эффекта учёные облучали молекулы водорода в газообразном состоянии импульсами лазерного излучения длительностью 60 фс с длиной волны 800 нм и интенсивностью 2.1014 Вт/см2. Электрическое поле лазерного импульса сначала ионизирует атом, затем происходит рекомбинация, при которой излучается фотон с длиной волны около 0,14 нм.
Каждый атом или молекула имеют набор орбиталей, - энергетических состояний, в которых электрон может находиться с некоторой вероятностью.
Излучение, которое излучается при возвращении электрона, кратно основной длине волны лазера, - говорит Дирк Зайдлер (Dirk Zeidler), один из членов группы исследователей. Эти частоты, называемые высшими гармониками, взаимодействуют с орбиталями и создают интерференционную картину. Наблюдая эффект на высших гармониках, исследователи могут видеть основополагающую структуру орбитали. Они смотрят на орбиталь в двух плоскостях при различных углах и затем используют компьютерное моделирование для построения трехмерной картины орбитали,- подобно тому, как медики используют компьютерную томографию и рентгеновское излучение, чтобы построить трехмерное изображение человеческого органа.
Мы впервые оказались способны взглянуть на молекулярные орбитали при фемтосекундном масштабе времени, - говорит Зайдлер,- Существует множество других методов, таких как рентгеновские лучи или дифракция электронов, но только этот метод дает такое временное разрешение.
Метод действует только на самое высокоэнергетическое состояние электрона. В химических реакциях как раз эти электроны отвечают за образование или разрыв связей с соседними атомами. «Эти орбитали создают химию, - говорит Зайдлер,- Открытый эффект с учетом временного разрешения дает возможность проследить ход химических реакций на субатомном уровне и, возможно, приведёт к новому пониманию, как эти реакции происходят».
Метод совершенно новый и очень обещающий, - сказал Игорь Литвинюк, ассистент профессора Университета штата Флорида (США). – Если потенциал метода будет полностью реализован, мы сможем наблюдать эволюцию молекулярных волновых функций с фемтосекундным разрешением непосредственно в ходе химической реакции .
Литвинюк также отметил, что существуют другие методы измерения плотности электронов. Но все они менее прямые. Вдобавок, например, дифракция электронов с временным разрешением (time-resolved electron diffraction) ограничена временами в сотни фемтосекунд и позволяет измерять только плотность зарядов в молекуле, но не сами орбитали. Чтобы метод был действительно полезным, необходимо также уменьшить длину импульса до 6-8 фс, - сказал он.
Следующим шагом исследователи применят метод к более сложным молекулам. Группа также планирует применить метод при временах порядка аттосекунд (ас), характерных для ядерных реакций,- сказал Зайдлер.
Как это часто случается в науке, наблюдение орбитали для группы оказалось случайным открытием. Коллеги занимались исследованием, как высшие гармоники зависят от ориентации молекулы. Они занимались этим около года, прежде чем им пришла в голову идея применить к результатам методы томографии. Мы не искали того, что нашли, когда получали эти данные, - сказал Зайдлер.
Нейл Саваж (Neil Savage)
| В. Д. Попов | Обновлено 8 апреля 2005 г. |