В ходе новаторского эксперимента исследователи впервые получили изображение распада молекулярных ионов под действием жесткого УФ-излучения. Результаты показывают, что предыдущие расчеты теоретической модели были неполными, и в то же время обеспечивают экспериментальный подход к некоторым химическим процессам во Вселенной. Это означает значительный прогресс в фундаментальных исследованиях, а также в прикладных науках.
До сих пор влияние рентгеновских лучей было почти непредсказуемым
Хотя большинство молекул остаются нетронутыми в видимом свете и в лучшем случае могут быть стимулированы к большей химической активности, резкое ультрафиолетовое или рентгеновское излучение часто заставляет их разрываться на составные части. Электроны молекулы поглощают энергию кванта излучения, и создается высокоэнергетическая нестабильная структура, которая распадается за очень короткое время, а атомы перестраиваются и разлетаются как фрагменты - более мелкие молекулы или атомы.
Эти процессы имеют большое значение для цепочек и циклов химических реакций в различных областях, например, в межзвездных молекулярных облаках или в ранней Вселенной, а также в верхних слоях атмосферы или в промышленной плазме. Молекулярные ионы и их фрагменты, например, так называемые радикалы, часто оказываются особенно реакционноспособными, и их взаимодействие с жестким УФ-излучением почти не исследовано. Предсказание того, как лучистая энергия передается компонентам молекулы после ее поглощения, сложно, часто варьируется от молекулы к молекуле и до сих пор трудно проверить экспериментально. Поэтому часто приходится полагаться на модельные расчеты, которые, в свою очередь, содержат приближения из-за сложности процессов.
По следам фрагментов
Целью ученых из Института ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге было наблюдать за распадом отдельных молекул в свободном пространстве и, если возможно, измерить движение и внутреннее состояние всех фрагменты без вмешательства окружающей среды - сложная задача. Для этого исследователи разгоняют молекулы до высокой скорости, чтобы они образовывали четко выровненный пучок. Во время быстрого полета их распад вызывается электронами или высокоэнергетическим излучением. Затем осколки летят вперед под узким диапазоном углов, и каждый из них имеет достаточную энергию для надежного отображения на устройствах обнаружения.
Эта визуализация фрагментов с помощью высокоскоростных молекулярных пучков впервые была получена для отдельных молекул с помощью жесткого УФ-излучения с помощью FLASH, нового лазера на свободных электронах в исследовательском центре DESY в Гамбурге. FLASH - первый в мире лазер на свободных электронах для интенсивных импульсов излучения в жестком УФ или мягком рентгеновском диапазоне. Согласно принципу работы лазера, длина волны его излучения точно определена; он также имеет определенное направление вибрации (поляризацию) и чрезвычайно короткую длительность импульса. Этот источник на порядки интенсивнее любого лазера, доступного ранее в лабораториях для этой области электромагнитного спектра.
FLASH расщепляет молекулы
В первых экспериментах исследователей Макса Планка из FLASH был исследован молекулярный ион HeH+. Это одна из фундаментальных молекул, и поэтому ее детальное понимание имеет большое значение, например, для химии ранней Вселенной. Это также происходит при распаде молекулы радиоактивного трития (T2), используемой для прецизионных измерений массы нейтрино.
Луч FLASH пересекался с высокоскоростным молекулярным пучком и затем освещал около 25 быстрых молекул с каждым импульсом. При длине волны 32 нанометра один из примерно 1000 лазерных импульсов вызывает распад одной молекулы, фрагменты которой затем обнаруживаются после полета на расстоянии одного метра с помощью детекторов размером около десяти сантиметров. По месту удара и времени полета осколков от четко определенной точки взаимодействия их движение можно реконструировать в трех измерениях, что дает подробную информацию о каждом отдельном процессе распада. Если молекула распадается по поляризации фотонов FLASH, которая была выбрана параллельно направлению полета молекул, вы получаете чуть более медленный и чуть более быстрый фрагмент, которые попадают в детектор один за другим. Наоборот, при распаде перпендикулярно поляризации осколки детектируются практически одновременно в разных местах детектора.
Удивительный результат
Результат измерений оказался неожиданным: молекулярные состояния, рассмотренные ранее теоретически, показали бы распад по поляризации для этого процесса. Напротив, исследователи Макса Планка обнаружили в основном фрагменты, перпендикулярные поляризации, что указывает на то, что модельные расчеты до сих пор не уделяли достаточного внимания многим важным молекулярным состояниям НеН+ для этого процесса..
Измерения на FLASH демонстрируют метод визуализации молекулярной фрагментации высокоэнергетическим излучением в отдельных процессах. В будущем исследователи также хотят изучить эти процессы в более сложных молекулах. Данные, которые будут получены таким образом, имеют большое значение, например, для вопроса о синтезе органических молекул в межзвездном пространстве и их способности выживать в полях радиации. Ввиду удивительных результатов, даже с простой системой HeH+, интересно следить за дальнейшим развитием этой новой области исследований.