Физика

Предсказан распад молекулы воды под действием рентгеновского излучения

rosselee96/Pixabay

Ученые описали, как молекула воды распадается при воздействии рентгеновского излучения. Они показали, что атомы в ней разделяются очень быстро и это движение можно заметить по изменению спектра излучения. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), ее результаты опубликованы в журнале Physical Review.

Современная молекулярная спектроскопия позволяет изучить изменения молекулярной структуры вещества и рассмотреть механизмы энергетических переходов в сложных многоатомных комплексах. Для этого молекулы изучаемого вещества облучают мощным пучком рентгеновского излучения, создаваемым на синхротроне. Рентгеновские лучи, проходя через вещество, рассеиваются и регистрируются специальным детектором, спектрометром. При этом рассеяние происходит на электронной части молекулы – «облаке» электронов. Под воздействием фотонов электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Именно от их движения прежде всего зависит распределение интенсивности при рассеянии отраженного света. «Облако» электронов, скорости которых очень велики, почти мгновенно реагирует и на движение атомных ядер, которые также начинают перемещаться под влиянием рентгеновского излучения. В результате движения атомных ядер и электронов переплетаются, становятся синхронными. Об этой сложной молекулярной динамике можно судить по спектру рассеянного света.

Согласно так называемому приближению Франка – Кондона, возбуждение «облака» электронов в молекуле при воздействии света происходит мгновенно, поэтому молекула, как принято было считать, не успевает изменить свою конфигурацию, то есть расположение ядер. Ученые из Сибирского федерального университета показали, что в молекуле воды, которая состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, приближение Франка – Кондона нарушается за счет сверхбыстрого отделения атома водорода в ходе диссоциации, то есть распада молекулы.

«Рассеянный свет анализируется не только по энергии испускаемого фотона, но и по направлению рассеяния светового потока, – объясняет один из авторов работы, сотрудник СФУ Фарис Гельмуханов. – В обычных условиях атом водорода в молекуле воды колеблется относительно положения равновесия. Это колебание характеризуется определенной частотой. После того как при облучении он отрывается и удаляется от молекулы воды, электронное "облако", реагируя на это, деформируется. Оно также начинает зависеть от ядерного движения, а колебания ядер реагируют на изменение электронного "облака". В результате процесс рассеяния не происходит мгновенно, а имеет определенную длительность. Возникшее сложное синхронное движение внутри молекулы приводит к тому, что в рассеянном свете мы видим изменение набора частот. Колебания атомов водорода по-разному проявляются для разных углов падения света при рассеянии, поэтому в его спектре можно видеть различное распределение интенсивностей частот для разных углов падения лучей».

Таким образом, ученым удалось доказать, что при мощном рентгеновском облучении молекулы воды в силу того, что протекающие процессы молекулярного движения происходят не мгновенно, а имеют определенную длительность, постулат Франка – Кондона не работает, и молекула все-таки распадается.

«Данные о параметрах и механизмах процессов, происходящих при отрыве атома водорода от молекулы, очень важны для применения и в химии, и в физике, хотя полученные теоретические выкладки еще предстоит проверить экспериментально, – поясняет профессор Гельмуханов. – Результаты исследования можно использовать для изучения свойств конкретных материалов на молекулярном уровне, в частности для управления различными химическими реакциями и для создания материалов с заданными свойствами».

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

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.