Новости химической науки > Отщепление электронов с внутренних оболочек атомов и молекул

Первые научные результаты, полученные с помощью самого мощного в мире рентгеновского лазера, показывают, что он способен контролировать поведение индивидуальных электронов в атомах и молекулах, отщепляя их из электронной оболочки один за одним – в том числе предоставляя возможность получать «полые атомы».

Источник когерентного света позволяет осуществлять постадийное отщепление электронов от атомов неона (показано на рисунке) и молекул азота, в ряде случаев способствуя уходу только внутренних электронов и образованию «полых атомов». (Рисунок из Nature, 2010; 466 (7302): 56)

Исследовательская группа Линды Янг (Linda Young) из Национальной Лаборатории Аргонны сообщает, что исследователям удалось настроить импульсы источника когерентного света [Linac Coherent Light Source (LCLS)] для селективного отщепления электронов от атомов газообразного неона. Изменение энергии импульсов бомбардирующих атомов фотонов позволяет отщеплять электроны по желанию от внешней или (что является гораздо более сложной задачей) от внутренней электронной оболочки.

Янг отмечает, что до настоящего времени у исследователей не было доступа к рентгеновским лучам такой интенсивности, которую позволяет получить LCLS, поэтому то, что происходит при взаимодействии материи с ультраинтенсивным рентгеновским излучением, до настоящего времени было полностью неизвестным, поэтому исследователи полагали, что весьма важно выявить эти основные механизмы взаимодействия.

Директор подразделения LCLS, Иоахим Штор (Joachim Stöhr), заявляет, что десять лет назад, когда началось планирование первых экспериментов на LCLS, высказывалось предположение, что мощности рентгеновского луча LCLS будет достаточно для создания «полых атомов», однако в те годы это еще было мечтой, которая, наконец-то осуществилась.

В то время, как первые эксперименты проводились для того, чтобы выяснить, что происходит с материей при ее взаимодействии с ультракороткими ультрабыстрыми лазерами LCLS, эти эксперименты подготавливали почву для последующих – более сложных. Уникальные технические параметры LCLS позволили превратить его в мощное орудие для исследования в различных областях, включая физику, биологию, науки о материалах и энергии.

Аппарат LCLS позволяет получать изображения за счет рассеивания рентгеновского луча на атоме, молекуле или большем по размеру объекте. При точной фокусировке рентгеновских лучей LCLS на образце, он разрушается при воздействии импульса. Поскольку некоторые типы повреждения, как, например, плавление твердого вещества, не происходят мгновенно, возможно минимизировать повреждение за счет уменьшения импульса и записать картину дифракции рентгеновских лучей до того, как образец разрушится.

Было обнаружено, что чем меньше продолжительность лазерного импульса, тем меньшее количество электронов может оторваться от атома или молекулы, и при этом происходит меньшее повреждение образца. Подход, связанный с уменьшением протяженности импульса, позволил определить механизм, лежащий в основе отрыва электрона.

Атом можно представить в виде миниатюрной солнечной системы, в которой электроны двигаются на различном расстоянии от ядра на основании квантово-механических законов. Для упрощения представления о строении атома введена модель о том, что электроны располагаются на оболочках, находящихся на определенном расстоянии от ядра. Количество электронов на оболочке определяется главным квантовым числом n в соответствии с формулой 2n, так на ближайшей к ядру оболочке может содержатся два электрона, на следующей – восемь и т.д.

Так как два электрона, находящиеся на оболочке с n=1 содержится ближе всего к положительно заряженному ядру, их сложнее всего заставить оторваться от атома. Однако именно эти электроны наиболее вероятно поглощают фотоны рентгеновского излучения, поэтому отрываются с наибольшей вероятностью при облучении высокоэнергетичным рентгеновским излучением.

Хотя проделанные ранее эксперименты с оптическими лазерами высокой интенсивностью позволили отщепить практически все электроны от атома неона, в группе Янга впервые было показано, как этого можно достичь с помощью рентгеновских лазеров с высокой интенсивностью. При бомбардировке атомов фотонами с меньшей энергией от электронной оболочки отрываются внешние электроны, а внутренние остаются нетронутыми, однако при увеличении энергии рентгеновского излучения в первую очередь отрываются внутренние электроны, внешние электроны продолжаются двигаться «над» пустыми электронными уровнями, и преодолевают притяжение к ядру только при облучении фотонами с соответствующей энергией. Таким образом, даже одиночного импульса лазера оказывается достаточно для того, чтобы «оторвать» от ядра неона два внутренних электрона и получить «полый атом», прозрачный для рентгеновского излучения.

Источник: Nature, 2010; 466 (7302): 56 DOI: 10.1038/nature09177

метки статьи: #квантовая химия, #радиохимия и химия высоких энергий, #физическая химия