Химические формулы в учебниках часто выглядят как простые схемы: были одни молекулы, стали другие. Но что происходит в тот самый момент, когда связи рвутся и образуются? Увидеть это удалось только сейчас.
Группа ученых из Шанхайского университета Цзяотун (Shanghai Jiao Tong University) провела эксперимент, который раньше считался почти невозможным. Они отследили, как ведут себя электроны и атомы в момент фотодиссоциации — когда молекула распадается под действием света.
Объектом изучения стала простая молекула аммиака (NH₃). Сначала ее «ударили» коротким ультрафиолетовым лазерным импульсом. Этот импульс перебросил один из электронов атома азота на другую орбиталь, что сразу запустило структурные изменения. Молекула стала раскрываться, как зонтик, и один из атомов водорода начал отдаляться.
Чтобы поймать этот процесс, ученые использовали метод сверхбыстрой электронной дифракции (ultrafast electron diffraction, UED). Сразу после лазерного импульса они направляли на молекулу сгусток высокоэнергетических электронов. Эти электроны-зонды рассеивались на электрических полях ядер и электронов внутри молекулы, а детектор фиксировал результат.
Главная сложность в том, что сигнал от легких электронов в таких данных обычно теряется на фоне сигнала от тяжелых атомных ядер. Команда решила эту проблему с помощью специального математического подхода — анализа функции распределения пар зарядов (charge distribution function analysis). Этот метод позволил «вытащить» из общей картины три отдельных типа взаимодействий: между ядрами, между ядром и электроном и между самими электронами.
В итоге специалисты получили не просто абстрактные графики, а фактически изображения в реальном пространстве. Они увидели, как именно меняется электронная плотность, как перестраиваются орбитали и как атом водорода, который обычно почти невозможно отследить, начинает свое движение.
Как пояснил Phys.org старший автор работы Дао Сян (Dao Xiang), их анализ успешно выявил множество динамических процессов: переходы электронных орбиталей, эволюцию электронной плотности и электрон-электронные корреляции. Это прямое подтверждение того, что химические реакции управляются квантовой динамикой электронов.
Сейчас метод имеет ограничения — сигнал от электронов все еще очень слаб. Ученые планируют совершенствовать методику и применять ее к более сложным органическим молекулам, чтобы глубже понять механизмы реакций.
