Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США смогли непосредственно проследить за движением электронов внутри молекулы на чрезвычайно малых временных масштабах. Для этого исследователи использовали рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source (LCLS).
Химические реакции кажутся практически мгновенными, однако на атомном уровне им предшествует последовательность процессов продолжительностью в фемто- и аттосекунды. Именно движение электронов в конечном счете определяет, какие химические связи разрушатся и какие появятся вместо них, но непосредственно наблюдать за этой начальной стадией реакции до сих пор было крайне сложно.
В новом эксперименте ученые использовали два точно синхронизированных рентгеновских импульса. Первый выбивал электрон из молекулы и запускал процесс ионизации, а второй спустя заданный промежуток времени фиксировал состояние оставшихся электронов. Постепенно изменяя задержку между импульсами, исследователи получили десять временных срезов первых десяти фемтосекунд реакции и собрали их в своеобразный молекулярный «фильм».
Особенно важные изменения произошли уже в течение первой фемтосекунды. После удаления первоначального электрона молекула быстро перешла в другое состояние и выбросила еще один электрон с меньшей энергией в ходе процесса, известного как распад Костера — Кронига. Ранее этот механизм был хорошо известен физикам, однако теперь ученым удалось непосредственно проследить за его развитием в естественном временном масштабе.
Исследователи также увидели движение оставшейся после электрона «дыры» по молекуле. По мнению команды, этот процесс связан с квантовой когерентностью и способен влиять на дальнейшее развитие реакции. Примерно через 10 фемтосекунд последствия первоначального движения электронов уже начинают проявляться в изменениях молекулярной структуры.
В перспективе подобные эксперименты позволят лучше понять, как именно движение электронов управляет химическими реакциями. Это может оказаться полезно не только для фундаментальной химии, но и для изучения воздействия высокоэнергетического излучения на вещество и биологические молекулы, поскольку возникающие при таких процессах низкоэнергетические электроны способны участвовать в радиационном повреждении ДНК.
