Mokslininkams pavyko užfiksuoti vandenilio molekulėje vykstantį elektronų judėjimą

Vokietijos Makso Borno netiesinės optikos instituto mokslininko Marko Vrakingo (Marc Vrakking) vadovaujama tarptautinė mokslininkų grupė sugebėjo „įžiūrėti“ vandenilio molekulėje vykstantį elektronų judėjimą. Šiam eksperimentui fizikai panaudojo atosekundžių (10e^–18 sekundės) trukmės lazerio impulsus.

Atosekundė – viena milijardinė nanosekundės dalis. Per šį laiką šviesa sugeba nuskrieti mažiau kaip vieną milijoninę milimetro dalį, o tai atitinka nedidelės molekulės matmenis. O jeigu femtosekundžių trukmės (10^–15 sekundės) lazeriniai impulsai leidžia „atsekti“ molekulių ir pavienių atomų padėtį, tai atosekundinio lazerio mokslininkams pakako net pavienių elektronų „nuotraukoms“ gauti.

Molekulinio vandenilio elektronų dinamika, molekules fotojonizavus atosekundinio lazerio impulsais. Molekulėje likusio elektrono padėtis (parodytas žalios spalvos rutuliuku) nustatyta eksperimentiškai. Spalvotas „kraštovaizdis“ iliustruoja didesnę arba mažesnę tikimybę elektronui būti vienoje arba kitoje molekulės pusėje.

Dar praėjusiais metais publikuotame straipsnyje rašėme, jog Ukrainos mokslininkams buvo pavykę „nufotografuoti“ atomo elektronų debesį. Šį kartą specialistai dėmesį sutelkė ties vandenilio molekule (H₂). Joje yra tik du protonai ir du elektronai, kurių kiekvienas priklauso atskiram atomui. Mokslininkai sukeldavo jonizaciją, kurios metu vienas iš elektronų yra „išmušamas“ iš vandenilio molekulės. Vienas iš tikslų buvo išsiaiškinti, kaip šio proceso metu persiskirsto elektros krūvis ir kaip tai įtakoja atomų branduolių judėjimą.

Eksperimento metu tyrinėtojai pritaikė „sužadinto zondavimo“ (angl. pump-probe) metodą. Jis remiasi dviejų skirtingų lazerio impulsų panaudojimu: vienas galingas impulsas naudojamas energijai suteikti, o silpnesnis naudojamas zondavimui atlikti. Šiuo atveju sužadinimui buvo naudojamas ultravioletinis lazeris, nukreiptas į vandenilio molekulę, siekiant ją jonizuoti ir „atimti“ iš jos vieną elektroną. Rezultatų „nuskaitymui“ arba zondavimui buvo naudojamas infraraudonasis lazeris, kuris suskaidydavo molekulę į du atskirus vandenilio atomus.

Keisdami laiko intervalą tarp sužadinančio ir zonduojančio impulso, mokslininkai sugebėjo sudaryti vizualizaciją, parodančią, kaip keičiasi molekulėje likusio elektrono padėtis, jam judant jonizuotos molekulės užimamos erdvės ribose, ir kaip abu elektronai įtakoja vandenilio atomų elgseną. Atskirus vizualizacijos „kadrus“ vienas nuo kito skiria atosekundžių trukmės intervalai. Tyrinėtojai teigia, jog tokiai vizualizacijai sudaryti femtosekundžių trukmės impulsus generuojančių lazerių jau nepakaktų.

Neigiamas tokio stebėjimo aspektas yra tai, kad infraraudonasis lazeris, deja, visiškai nėra „pasyvus stebėtojas“ – jis ne tik padeda atsekti molekulės dinamiką, bet ir daro jai reikšmingą poveikį. Mokslininkai ateityje planuoja kaip nors eliminuoti tokį poveikį. Vrakingas taip pat nemano, jog jų pasiektas rezultatas yra reikšmingas. „Mes tik pravėrėme dar vienas duris“, – sako tyrimo vadovas.

Tačiau pirmieji rezultatai visgi yra įspūdingi. Pavyzdžiui, mokslininkai išsiaiškino, jog elektronų susiejimas daro apčiuopiamą įtaką jonizacijos vyksmui. Be to, Borno-Openhaimerio aproksimacija (Born-Oppenheimer approximation), teigianti, jog elektronai yra pakankamai maži, kad galėtų „prisiderinti“ prie atomo branduolio judėjimo, praktikoje nepasitvirtina. Taip pat nustatyta, jog jonizacijos metu sužadinami abu elektronai, tačiau tik vienas iš jų „išmušamas“ iš molekulės.

Parengta pagal: Приглядеться к электронам: Миллиард миллиардов кадров в секунду (Popmech.ru).