Знание-сила, 2006 № 07 (949)

«Фотография» орбитали

Вот уже и сто лет прошло с тех пор, как Эйнштейн провозгласил абсолют времени, «увязанного» с пространством в единый пространственно-временной континуум, то есть нечто непрерывное и неразрывное. Нобелевскую премию Эйнштейн получил во временном «пакете» с Бором — в 1921 и 1922 годах соответственно. Оба всю жизнь спорили, поскольку Бор говорил о случайности, а Эйнштейн — не веря в квантовую механику, — что «Бог в кости не играет».

Бор велик тем, что провозгласил — в отличие от Резерфорда — наличие энергетически упорядоченных электронных орбит, или орбиталей. Он также предсказал возможность электронных «скачков», которые впервые реально зафиксировали в эксперименте 75 лет спустя, когда изобрели лазерные атомные ловушки.

Фиксация скачков дала в распоряжении физиков уникальный по своей точности временной стандарт, без которого сегодня немыслимы ни лазеры, ни исследования на ускорителях и «смэш»-коллайдерах, а также «банальная» мобильная телефонная связь и Глобальная Позиционная Система (GPS), поскольку местоположение телефона или объекта определяется именно по разнице во времени.

Однако измерить скорость и положение электрона на орбите экспериментально не удалось. Бор говорил, что сам исследователь влияет на квантовый объект, каковым является электрон, а Гейзенберг вообще провозгласил свой знаменитый принцип неопределенности — невозможность одновременного измерения скорости и координаты. Положение спас Шредингер со своей волновой функцией, и сегодня ученые говорят, что функция эта, или орбиталь одиночного электрона, представляет собой математический «конструкт», созданный для описания мультиэлектронной волновой функции молекул. Надо понимать, что квантовый мир долгие десятилетия был весьма виртуальным, поэтому и язык для его описания представляет собой набор символов и формул. Наш же естественный язык в этом случае бессилен (нечто подобное целый век было в генетике, когда никто не знал, какова природа гена — как только была открыта его ДНКовая сущность, язык сразу же упростился и стал понятен обычным людям).

За четыре года до эпохальной серии статей Эйнштейна за океаном в семье Полингов родился мальчик, которого назвали Лев-Лайнус. Он действительно оказался львом, мощный рык которого долгие десятилетия доминировал в мировой науке.

Вполне в духе модных тоща увлечений нарождающейся квантовой механики Полинг отправился после окончания Калифорнийского технологического института в далекий Мюнхен к Шредингеру. Результатом «квантового» периода научной карьеры ученого стал солидный труд «Природа химической связи», увидевший свет в 1939 году С этой книгой под мышкой расхаживал по Кембриджу один из первооткрывателей спирали ДНК Дж. Уотсон незадолго до 1954 года, когда Полингу была присуждена Нобелевская премия по химии. Полинг мечтал увидеть, как меняются орбитали валентных электронов в момент образования и разрыва связей, что представляет собой суть химических процессов.

И вот, похоже, в университете канадской столицы Оттавы сделан первый реальный шаг по пути исполнения мечты большого ученого. Статья канадских ученых в журнале «Нейчур» называется весьма символично: «Томографическое изображение молекулярных орбиталей».

Поясним, что греческое слово «том» переводится как разрушать, нарезать, делить и так далее. Отсюда «атом», или «не-делимый», а также книжный том (книги в Риме писали на длинных свитках пергамента, которые приходилось ради удобства чтения разрезать на отдельные куски-«тома»). Уже в наше время были придуманы знаменитые компьютерные томографы, с помощью которых можно из отдельных двухмерных — плоскостных изображений — «имиджей» реконструировать трехмерную структуру.

Поясним эту сложную математическую операцию бытовым примером. Если взять хлебный батон и нарезать его на хлеборезке тонкими последовательными ломтиками, то, собрав все эти двумерные кусочки воедино, мы вновь «реконструируем» батон.

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.

И тем самым также первый раз преодолели запрет Гейзенберга, поскольку впервые был применен «зонд» не извне, а свой собственный — в виде возвращающегося на орбиту собственного электрона, который не вызывает «отторжения». Новый исследовательский инструмент генерируется в самой молекуле, позволяя тем самым непревзойденное разрешение во времени — меньше 1 фемтосекунды!

В заключение свой статьи авторы писали, что они уже начали подготовку к изучению движения электронов на орбите с помощью атгосекундного лазера, разрешение которого в 1000 раз выше. Аттосекундные импульсы позволят «увидеть» изменение электронного облака — «связи» — во времени и непосредственно в ходе химической реакции.

Так что никто скоро не удивится внедрению мобильной связи нового поколения, манипулирующей новым стандартом времени, сопоставимым со скоростями протекания химических реакций. A GPS позволит находить объекты с точностью до сантиметров, если не миллиметров, причем не только на поверхности, но и в глубине. Да, кто же знал, создавая лазер, что он найдет такое широкое применение—хотели ведь просто подтвердить реальность квантового эффекта «накачки».

Александр Волков