Облака вероятности под прицелом: как рентгеновские импульсы раскрыли секреты электрона – 3 факта

Учёные впервые смогли увидеть, как ведёт себя отдельный электрон во время химической реакции. Это стало возможным благодаря использованию сверхбыстрых рентгеновских импульсов, что открыло совершенно новые горизонты для химии, физики и материаловедения. Результаты работы были опубликованы 20 августа в журнале Physical Review Letters.

Почему это открытие важно

До настоящего времени рентгеновское рассеяние позволяло фиксировать движение атомов и их внутреннюю структуру. Но наблюдать за валентными электронами, которые непосредственно участвуют в химических реакциях, учёные не могли — они оставались вне поля зрения. Теперь эта преграда преодолена: исследователям удалось напрямую проследить за перемещением электрона в момент распада молекулы аммиака.

Как проходил эксперимент

Работа велась в Национальной лаборатории SLAC (Стенфорд), где используется когерентный источник света Linac. Он генерирует чрезвычайно короткие и мощные рентгеновские вспышки, которые можно сравнить с "фотографией на сверхбыстрой камере".

Сначала молекулы аммиака облучались ультрафиолетом, переводящим один из электронов в более высокое энергетическое состояние и запускающим реакцию распада. Затем в дело вступали рентгеновские импульсы: они проходили через электронное облако и фиксировали малейшие изменения его формы.

Почему именно аммиак

Для эксперимента выбрали именно молекулу аммиака, потому что она состоит в основном из лёгких атомов. Это снижает влияние внутренних электронов и позволяет сосредоточиться на валентных — тех самых, что отвечают за химические превращения. Благодаря этому удалось получить максимально чистый сигнал.

"Глубокое изучение поведения валентных электронов позволит оптимизировать разработку лекарств, внедрять более устойчивые химические технологии и создавать передовые материалы", — отметил аспирант-физик Иэн Габальски, основной автор исследования.

Рентген и квантовые облака

С точки зрения квантовой механики электроны нельзя описать как "твёрдые шарики". Они представляют собой облака вероятности, или орбитали, где плотность указывает вероятность нахождения частицы. Когда рентгеновские волны сталкиваются с такими облаками, они рассеиваются и интерферируют, формируя картину, из которой можно восстановить изображение электрона.

Учёные дополнили эксперимент компьютерным моделированием. Сравнение данных подтвердило: наблюдаемые сдвиги действительно связаны с движением валентного электрона, а не внутренних.

Что ждёт впереди

Команда планирует развить технологию так, чтобы отслеживать электроны в более сложных условиях — в трёхмерных биологических структурах или в материалах с большим числом атомов. Это может иметь практические приложения: от разработки новых лекарств и устойчивых катализаторов до создания искусственных тканей и регенеративной медицины.

По сути, наука получила инструмент, который позволяет буквально "заглянуть в сердце" химической реакции и увидеть то, что раньше существовало только в формулах и моделях.

Три интересных факта

1. Один рентгеновский импульс длится всего фемтосекунду (10⁻¹⁵ секунды) — этого достаточно, чтобы "заморозить" движение электрона.

2. Технология SLAC уже использовалась для фиксации атомных колебаний, но впервые её применили для наблюдения за отдельным электроном.

3. Подобные эксперименты могут помочь создавать "умные материалы", способные менять свойства под действием света или электрического поля.