Американские и европейские физики создали устройство, позволяющее наблюдать за перемещением электронов в молекуле, участвующей в химической реакции, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Группа ученых под руководством Якоба Ворнера (Jakob Woerner) из Высшей технической школы города Цюриха (Швейцария) использовала свою методику – спектроскопию гармоник высокого порядка (high-harmonic spectroscopy) – для наблюдения за распадом молекулы диоксида азота (NO₂) под воздействием ультрафиолетового излучения.

Как отмечается в статье, молекула диоксида азота интересна тем, что в ней некоторые энергетические уровни, на которых «обитают» общие электроны атомов азота и кислорода, соприкасаются в одной или нескольких точках. Благодаря этому электрон может подняться или опуститься через такую «дыру» на следующий уровень без потери энергии. Этот свойство, так называемое коническое пересечение, имеет квантовую природу и интересует не только химиков, но и физиков.

Такое явление крайне сложно изучать и наблюдать не только из-за малых размеров электронов и атомных ядер, но и потому, что все события происходят в мгновения ока – в течение считанных аттосекунд (одна аттосекунда равна 10 в минус 18 степени секунды).

Ворнер и его коллеги смогли наблюдать за движением электронов через коническое пересечение, подсвечивая атомы азота и кислорода при помощи сверхмощных импульсов ультрафиолетового излучения, которые испускало специальное устройство из нескольких высокоскоростных лазеров.

«Наш эксперимент можно сравнить с фотографированием пролета пули через яблоко. Пуля летит слишком быстро для затвора камеры, в результате чего мы получим "смазанное» изображение. Поэтому мы оставили «затвор» открытым, и освещали атом-«яблоко» при помощи коротких импульсов света. Именно так мы смогли получить наши «фотографии», – пояснил руководитель работы.

Первый импульс света от «фотоаппарата» Ворнера и его коллег «выдергивал» электрон с его «насиженного места», а второй, менее интенсивный, возвращал его обратно. После этого «путешествия» электрон испускал фотон, который указывал исследователям на точное пространственное положение его «прародителя».

Как отмечают ученые, каждый электрон уникальным образом связан с орбиталью, которую он покидает, и поэтому ложные сигналы, поступающие от других электронов и даже других атомов, можно отделить от координат «нужной» частицы.

В целом, опыты авторов статьи подтвердили современные теории движения электронов во время химической реакции и взаимодействия электронных орбиталей в молекулах сложных веществ.

«Мы смогли проверить и доказали состоятельность современных теоретических моделей», – отметил Ворнер.

Авторы статьи полагают, что их методика может быть использована для наблюдения за другими реакциями, в частности, для изучения химических процессов, протекающих в живых клетках.