Физики предложили новый метод анализа движения ядер и электронов

Используя высокоскоростную «электронную камеру» в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, ученые из США и Германии смогли одновременно зафиксировать движение электронов и ядер в молекуле после ее возбуждения излучением. Это первый метод, позволяющий следить за изменениями состояний одновременно атомных ядер и электронов. О своем открытии исследователи рассказали в журнале Science.

«Мы показали, что метод сверхбыстрой дифракции электронов позволяет следить одновременно за изменениями, происходящими в атомных ядрах и состояниях электронов, — говорит один из авторов исследования, профессор химии Стэнфордского университета Тодд Мартинес. — Это первый раз, когда мы смогли непосредственно увидеть как точные положения атомов, так и информацию о структуре электронных оболочек».

В предыдущих работах прибор SLAC для сверхбыстрой дифракции электронов MeV-UED позволил исследователям создавать «фильмы» о процессах в молекулах с высокой четкостью. Авторы смогли тогда выявить структурные изменения, которые происходят при фотоиндуцированном разрыве связей в кольцевых молекулах. Но до сих пор прибор не был чувствителен к электронным изменениям в молекулах.

В новых экспериментах команда ученых изучала пиридин — органическую молекулу с ароматическим кольцом, которая играет центральную роль в таких процессах, как УФ-индуцированное повреждение и репарация ДНК, фотосинтез и преобразование солнечной энергии. Поскольку молекулы поглощают свет почти мгновенно, индуцируемые этим воздействием реакции чрезвычайно быстры и трудны для исследования. Сверхскоростные камеры, такие как используемая в лаборатории SLAC, позволяют получать снимки «замороженных» состояний, происходящих в течение нескольких фемтосекунд. Это позволяет исследователям следить за происходящими внутри молекул изменениями.

Для этого физики сначала направили лазерный луч в газ из молекул пиридина. Затем они пропустили через газовую среду короткий импульс высокоэнергичных электронов, переводя при этом их в возбужденное состояние. Затем авторы смогли получить моментальные снимки быстро перестраивающихся электронов и атомных ядер, которые затем можно соединить вместе в видео, показывающее структурные изменения в образце, вызванные воздействием излучения.

Ученые обнаружили, что сигналы упругого рассеяния, полученные при дифракции электронов от молекулы пиридина без поглощения энергии, несут информацию о поведении атомных ядер в молекулах, в то время как сигналы неупругого рассеяния, полученные при обмене электронами энергией с молекулой, содержат информацию об изменениях в состоянии электронов. Электроны из этих двух типов рассеяния возникали под разными углами, что позволило исследователям четко разделить эти два вида сигналов и наблюдать одновременно за ядерными и электронными изменениями.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.