Знание-сила, 2006 № 07 (949)

Так недавно, по сообщению журнала «Сайенс», была с помощью компьютерного томографа «нарезана» мумия юноши-фараона. Шаг при «компьютеризации» головы Туганхамона, проведенной под эгидой Верховного совета античности Египта, составлял всего 0,5 миллиметра! Исследование проводилось «вслед» рентгеновскому просвечиванию 1968 года, когда в затылке был обнаружен костный осколок, что дало повод рождению самых разных спекуляций...

А как же проводили «томографию» электронной орбитали? Классическими методами изучения электронной оболочки и плотности являются дифракция рентгеновских лучей, что позволяет проводить рентгеноструктурный анализ даже гигантских биологических макромолекул, а также рассеяние электронов. Однако возможность «увидеть» высшие оккупированные — занятые орбитали можно только с помощью электронной спектроскопии или сканирующего туннельного микроскопа.

Первый метод представляет собой рассеяние электронов, которое позволяет определить усредненную плотность самых внешних валентных электронов. При втором же способе электронные плотности как бы «размазываются» по подложке, состояние поверхности которой оказывает на эту самую плотность свое влияние. Поэтому подобные искажения никого не удовлетворяли, и как преодолеть «запрет» гейзенберговского принципа, никто не знал. И вот — удивительный технологический прорыв!

Одним из главных «выходов», или продуктов весьма оторванной от чаяний простых людей квантовой механики было создание лазера, длина волны которого варьирует в самом широком диапазоне, начиная с инфракрасного и кончая на сегодняшний день промежутком между ультрафиолетовым и рентгеновским спектром. Соответственно с уменьшением длины волны — «энергонасыщенностью» — увеличивалась частота, а следовательно, уменьшался промежуток времени, за который волна электромагнитного излучения совершала «рабочий цикл». Так были созданы фемтосекундные лазеры, а вслед за ними и аттосекундные, продолжительность импульса которых составляет соответственно 10'¹⁵ и 10'¹⁸ секунды!

Внешние валентные электроны обладают повышенной энергией, что и позволяет им вступать в «слияние» с другими такими же электронами. Добавление небольшой порции энергии в виде того же лазерного импульса позволяет «выбить» электрон с внешней орбиты. Если энергия не слишком велика, то после «обращения» знака импульса выбитый электрон и возвращается — «падает» обратно на орбиту. Поясним это примером.

Если мы подбросим вверх теннисный мячик, то он исполнит параболу и вернется к нам в руки. Но если стрельнуть из пистолета или автомата Калашникова, то пуля улетит далеко-далеко, для нас же это будет отправка пули в «континуум», то есть состояние, близкое к бесконечности и вечности, поскольку мы все равно никогда не увидим, куда она там улетела. То же и с электронами. При достаточном напряжении на катоде кинескопа электрон «вырывается» из объятий атома и улетает в виде электронного луча к экрану. При небольшой энергии воздействия, как показано выше, он после параболы возвращается на свою орбиталь.

Авторы работы пишут, что «если мы сможем измерить орбитали с помощью фемтосекундной лазерной технологии, то тем самым мы можем наблюдать изменения орбиталей, которые происходят в хорде химических реакций». С точки зрения квантовой механики движение электрона можно описать как наложение различных электронных состояний. Авторы смогли максимально приблизиться к визуализации «боровского орбитального движения электронов».

Теоретически это было всем ясно, вопрос же состоял в том, как «зафиксировать» ту же молекулу азота и выбить электрон с помощью лазерного импульса Интересно, что сама молекула азота, как и большинство подобных небольших молекул, имеет поперечник не более 1 ангстрема (10 ¹⁰ метра), а теряющий энергию электрон «расползается» — увеличивается до целых 9 ангаром!

Авторы пишут, что орбиталь, сконцентрировавшая в себе довольно большую энергию для образования той же связи, в тысячу раз меньше по своим физическим размерам, чем длина волны электрона, и по мере уменьшения энергии длина волны только увеличивается.

Как же удалось «удержать» молекулу? С этой целью перед основным лазерным импульсом исследователи подавали линейно поляризованный луч, в результате чего молекула фиксировалась на недолгое время в нужном направлении. До этого как-то никто раньше и не додумался. Длительность же основного импульса составляла 2,7 фемтосекунды, и за половину этого отрезка времени электрон «падал» обратно на орбиту

Его «падение» вызывает генерацию «высоких гармоник», или гармонических колебаний, представляющих собой обертона лазерной частоты. Указанные гармоники хорошо известны исследователям ионизации атомов и молекул. При этом на фоне гармонических колебаний отбрасывается «тень». Так по отдельным «теням» воссоздается, или реконструируется трехмерное изображение орбитали, которое впервые увидели с помощью лазерной томографии.