サブフェムト秒の詳細でキャプチャされたアセチレンの破裂

ビデオ: サブフェムト秒の詳細でキャプチャされたアセチレンの破裂

ビデオ: キャラクターにリアルな動きを! ~モーションキャプチャースタジオの体制・ゲーム&生配信 制作事例紹介~ 2022, 12月
サブフェムト秒の詳細でキャプチャされたアセチレンの破裂
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Anonim
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分子内の結合長の経時変化。分子とレーザーパルスとの相互作用のモーメントはゼロと見なされます。横軸はフェムト秒、縦軸はオングストロームです。

物理学者の国際的なグループが、アセチレンの化学結合の切断の「ビデオ」を1秒あたり1.6兆「フレーム」の詳細で撮影しました。実験の時間分解能は、0.6フェムト秒に達しました。この時間間隔は、赤外線の波が振動する時間よりも1桁短くなります。科学者たちは、そのようなデータの取得を可能にした新しいアプローチが、超高速研究手法の能力を拡大することを望んでいます。作品はジャーナルScienceに掲載され、ジャーナルの編集資料によって簡単に報告されました。

化学変換は、1つまたは複数の粒子の電子構造が変化するプロセスです。その結果、新しい分子が形成されます。これらの反応の基本段階は非常に迅速に進行します。たとえば、電子の移動を確認するために必要な特徴的な時間分解能は、1000分の1または100分の1フェムト秒です。結合切断のプロセスは遅くなります-それらはすでにフェムト秒スケールで見ることができます。比較のために、1フェムト秒で、光はマイクロメートルの3分の1を通過します。

最新の光学技術により、化学反応中の原子の動きを10フェムト秒の時間分解能で観察することが可能になります。これは、赤外線電磁波が1回の発振を完了するのにかかる時間です。たとえば、最近、30フェムト秒の時間分解能でヨウ素分子の化学結合が切断される観測について報告しました。

通常、これらのスケールで分子を観察するために、レーザーパルスのペアが使用されます。それらの最初のものは分子を励起し、化学反応を開始し、それはまた時計または時間標準の役割を果たします。 2番目は最初の後に一定の時間が続きます-分子上のこの光子ビームの散乱の画像は分子の電子構造に依存します。この写真が記録された後、分子は元の状態に戻ります。次に、同じことが繰り返され、パルス間の遅延が増加します。この手法の欠点は、パルス間の時間を測定する精度を、最初のパルスの電磁波の1回の振動の時間(赤外線放射の場合は約10フェムト秒)よりも高くすることが難しいことです。測定の時間分解能もこれに悩まされます。

新しい研究の著者は、11フェムト秒の励起パルスの振動の持続時間で0.6フェムト秒の測定の時間分解能を達成しました。科学者たちは、アセチレン開裂反応(HCCH)を研究することによってこれを達成しました。赤外線レーザーパルスの結果、炭素-水素(CH)結合が切断され、2つの電子が分子から分離され、2つの正に帯電した粒子(H +とHCC +)が生成されました。

変化を記録するために、科学者は2番目の光パルスではなく、反応で生まれた電子対の散乱パターンを使用しました。同時に、正に帯電した粒子が記録されました。科学が指摘しているように、結合の崩壊中に散乱した電子のみが記録された場合、0.6フェムト秒の分解能はハイゼンベルグの不確定性原理に違反します。しかし、科学者たちは、電子のエネルギーと電子の到着時間との間のデータ相関の分析に使用しました。これは、追加情報のソースになりました。

その結果、理論的なモデリングと実験の助けを借りて、著者はレーザーパルス後にアセチレン分子の構造に発生する変化を追跡することができました。したがって、結合の切断は、分子の励起後9、1〜9、2フェムト秒後に直接発生します。さらに、著者らは、分子がレーザーパルスのライトフィールドと平行に配向している場合、結合の切断が「より動的に」発生することを発見しました。

フェムト秒スケールで化学反応を研究するための別のアプローチは、X線の使用です。 X線放射の波長は単一分子のサイズに対応しているため、その散乱のパターンにより、構造の変化を確認できます。しかしながら、これは、例えば、X線自由電子レーザーなどの十分に明るい放射線源を必要とする。彼らの助けを借りて、物理学者はヨウ素とシクロヘキサジエンの結合を切断する反応を追跡することができました。これらの実験の時間分解能は25〜30フェムト秒でした。

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