Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

Из жизни электронов

Из жизни электронов

Благодаря новейшим лазерам ученые вглядываются в жизнь элементарных частиц. Сверхкороткие вспышки света помогают запечатлеть движение электронов в атомах. Это не только позволяет изучать природу Микромира, но и дает надежду на появление новых приборов, в том числе сверхбыстрых компьютеров.

Для нас нет ничего удивительного в том, что на экране телевизора мы видим, как медленно, точно пушинки, падают капли воды, как грациозно, словно веером, взмахивают крыльями колибри. Но чудеса замедленной съемки ограничиваются для нас миром зримых вещей и не позволяют заглянуть в другую, соседнюю с нами «Вселенную» – в даль Микромира.

Однако новейшие лазеры пересекают и эту границу, считавшуюся непокоримой. Благодаря им мы видим, как живут электроны.

Чтобы рассмотреть, как летит пуля, словно вторя античной апории – «ведь сама по себе пуля никуда не движется, но каждое мгновение пребывает в покое», – нужно сфотографировать ее с выдержкой в несколько микросекунд. Чтобы разглядеть электрон, время экспозиции следует отмерять с неуловимой для нас точностью: в аттосекундах (одна аттосекунда – это десять в минус восемнадцатой секунды).

Как пояснить, что такое аттосекунда? Возраст нашей Вселенной – почти 14 миллиардов лет. Умножьте каждый протекший от «эры Ничего» год на 365 дней, каждый день – на 24 часа, каждый час – на 60 минут, каждую минуту – на 60 секунд. В строке «Итого» выстроится множество цифр – столько секунд прожила наша Вселенная с момента своего рождения. И примерно столько – аттосекунд в одной секунде. «Аттосекунды – истинная шкала времени, по которой живет материя», – сказал однажды канадский физик Пол Коркум, один из основателей «аттосекундной физики». Наше сердце сокращается раз в секунду. Вспышка молнии длится сотую долю секунды. Персональный компьютер выполняет команду в течение миллиардной доли секунды. Пигментные клетки глаза реагируют на свет в течение 200 фемтосекунд (одна фемтосекунда равна 10–15 секунды). Но промежуток времени, равный аттосекунде, в 200 тысяч раз меньше того крохотного мгновения, которое требуется нашему глазу, чтобы среагировать.

Вот еще один пример, показывающий, как мал этот промежуток времени, аттосекунда. Нетрудно подсчитать, что за одну секунду свет, движущийся со скоростью 300 тысяч километров в секунду, десять раз обогнет наш земной шар. А вот за одну аттосекунду свет не преодолеет даже миллионную долю миллиметра.

Кажется, что при таком несоответствии масштабов стремиться разглядеть электрон – все равно, что, взяв циркуль, одна ножка которого упирается в Северный полюс, а другая – в Южный, пытаться мерить им толщину крыла бабочки. Цифры же аттестуют электрон так: в атоме водорода он совершает оборот вокруг ядра всего за 24 аттосекунды. Так что для того, чтобы наблюдать за электронами, нужно видеть то, что совершается в течение нескольких десятков, а еще лучше – нескольких аттосекунд.

Мир электронов – это мир, в нашем представлении, невероятно быстрый. Лишь технические изобретения последних двух десятилетий позволили нам к этому миру подступиться. С появлением аттосекундных лазеров створки воображаемого циркуля сомкнулись, бережно обхватив узоры крыла.

Гонка лазерных вооружений

Нобелевская премия по химии за 1999 год была вручена американскому ученому, уроженцу Египта, Ахмеду Хасану Зевейлу, «поскольку он доказал, что с помощью скоростной лазерной техники можно увидеть, как перемещаются атомы в молекуле во время химической реакции». Используя ультракороткие импульсы лазера, Зевейл наблюдал за тем, как при столкновении частицы света (фотона) с молекулой сетчатки глаза меняется пространственная структура этой молекулы, что, в конце концов, порождает нервный импульс. Именно такие реакции лежат в основе процесса зрения.

Лазерные импульсы, позволившие увидеть то, каким образом мы вообще видим, длились всего лишь несколько фемтосекунд. Подобные импульсы дают возможность наблюдать за движениями отдельных молекул и атомов. Однако их разрешающей способности недостаточно, чтобы разглядеть электроны, кружащие возле атомного ядра.

Но открытия, сделанные в области фемтосекундной химии, неминуемо привели нас к аттосекундной физике. Еще в конце 1990-х годов Пол Коркум предложил метод генерирования аттосекундных импульсов света и описал, как можно проводить измерения с помощью подобного лазера.

А уже в 2001 году сразу две группы ученых представили лазеры, создававшие импульсы света длительностью несколько сотен аттосекунд. Это были участники французско-нидерландского проекта (руководитель – Пьер Агостини) и австрийско-германо-канадского проекта (руководитель – Ференц Крауш). Впрочем, если лазер, с которым работала группа Агостини, генерировал многочисленные импульсы, следовавшие один за другим, то Краушу и его коллегам удавалось создавать лишь одиночные сверхкороткие импульсы. Но оба эксперимента были очень значимыми событиями.

До сих пор ученые могли только косвенным образом следить за любыми перемещениями электронов в атомах, ведь эти частицы движутся с невероятной скоростью (так, электрон в атоме водорода мчится со скоростью 2200 километров в секунду). Всё изменилось с появлением лазеров, генерирующих чрезвычайно короткие импульсы. С их помощью можно выделять отдельные электроны внутри атомов и молекул, а также фотографировать их перемещения.

В 2008 году ученым впервые удалось снять на кинопленку самое пугливое «существо» в мире – электрон. Это помогла сделать особая технология – та, с помощью которой удается рассмотреть в подробностях, как взмахивают крыльями колибри.

Исследователи из Лундского технологического института (Швеция) так описывали увиденное в этом видеоклипе, длящемся всего несколько секунд: электрон «оседлал» световую волну и скачет на ней. В этом эксперименте они комбинировали сверхкороткие световые импульсы с постоянным лазерным светом, назвав подобную технологию «квантовой стробоскопией». В Макромире именно с помощью стробоскопических приборов мы можем наблюдать за быстрыми периодическими движениями. Принцип действия таких приборов заключается в том, что тело, совершающее эти движения, освещается короткими импульсами света – тогда оно делается видимым в отдельные, очень малые по сравнению с периодом колебаний промежутки времени. В Микромире подобная съемка позволяет детально исследовать взаимодействие электронов с атомными ядрами, чтобы подтвердить (или опровергнуть) выводы, сделанные теоретиками.

Вот одно из наблюдений. Ученых заинтересовало, например, следующее. Когда после мощной вспышки лазера электроны в атомах инертного газа срываются со своих мест, они не покидают атомы все вместе, одновременно. Похоже, электроны, остающиеся в атоме, мешают (порой довольно успешно) другим, более юрким электронам покидать родной атом.

Фантастический мир

Впрочем, подобные наблюдения слишком традиционны, а ведь жизнь электронов полна чудес. «Быть может, эти электроны – Миры, где пять материков, Искусства, знанья, войны, троны. И память сорока веков» (В. Брюсов).

Тот мир, где пребывают электроны, – это фантастический мир. Ему присущи феномены, которые опровергают наши привычные представления. Например, место пребывания электрона принципиально нельзя определить, а значит, он может одновременно находиться сразу в двух местах (или, можно сказать и так, электроны, находящиеся в двух различных местах, невозможно отличить друг от друга). Лишь недавно международной группе исследователей впервые удалось подтвердить этот теоретический вывод экспериментальным путем.

В простой молекуле, состоящей из двух одинаковых атомов, например, молекуле кислорода (О2), несколько электронов кружат вплотную к обоим атомным ядрам. Как гласят законы квантовой механики, любой из этих электронов с определенной вероятностью может находиться как вблизи одного, так и вблизи другого атомного ядра, которые входят в состав этой молекулы, то есть в двух местах одновременно. Но как это можно доказать?

Участники эксперимента, которым руководил Арно Эресман из Кассельского университета, принципиально рассматривали электрон не как точечную частицу, а как волну, ведь электрон, как и другие объекты Микромира (как те же фотоны), обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Он – нечто большее, чем частица, этот сгусток вещества, он еще и волна. Только этим можно объяснить различные феномены, связанные с электронами, феномены, которые немыслимы в мире, где живем мы, – в Макромире.

В ходе эксперимента ученые обстреливали молекулы кислорода синхротронным излучением, возникающим при движении высокоэнергетичных заряженных частиц в магнитном поле. За счет фотоэффекта оно вырывает отдельные электроны из молекул (суть фотоэффекта, явления, объясненного Эйнштейном, вкратце сводится к тому, что световая волна, обладающая достаточно большой энергией, разрывает связь, удерживающую электрон в молекуле, то бишь, если энергия фотона достаточно велика, он, столкнувшись с электроном, буквально вышибает его из молекулы). И если этот вылетевший электрон находился перед коллизией в двух местах одновременно, то, по теории, его волновая ипостась тоже была разделена на две части. При измерении мы должны наблюдать характерную картину интерференции (сложения) двух отдельных волн.

Если, например, дифракция электронов, их характерное рассеяние, – другой феномен, свидетельствующий о двоякой природе этих микрочастиц, – была обнаружена почти сто лет назад, в 1927 году, американскими физиками Дэвиссоном и Джермером, то их интерференцию впервые довелось наблюдать именно Эресману и его коллегам, сообщил летом прошлого года журнал Physical Review Letters. В многочисленных экспериментах, проведенных ими, «на примере электронов, вылетающих из молекул кислорода, удалось обнаружить характерные осцилляции, доказывающие этот эффект», подводит итог работе Эресман.

Жонглируя циклотронными гирьками

Электрон – одна из важнейших элементарных частиц, поскольку она влияет на поведение всех атомов и молекул во Вселенной. Когда атомы соединяются в молекулы, именно электроны, словно строительный раствор, скрепляют эти громоздкие образования; от них зависят характерные свойства молекул. Среди всех электрически заряженных элементарных частиц электрон выглядит пушинкой, он легче любой из них, но величественное здание стандартной модели физики покоится именно на этой пушинке, как на неколебимом основании. Ведь масса электрона, возможно, является одной из фундаментальных констант этой модели; от ее значения зависят многие другие физические параметры мироздания.

Но даже элементарные свойства электрона мы продолжаем открывать. Так, в минувшем году журнал Nature сообщил, что физикам удалось с недостижимой прежде точностью определить массу этой частицы.

Проблема в том, что масса электрона так мала, что ее нельзя непосредственно измерить ни одними весами на свете. Остается прибегать лишь к косвенным методам, позволяющим оценить ее значение. Прежде подобные измерения проводились обычно в так называемой ловушке Пеннинга. Для этого электрон запирали в мощном магнитном поле и заставляли двигаться по круговой траектории. При этом можно было измерить одну из основных характеристик такого движения – циклотронную частоту, которая зависит от отношения электрического заряда к массе, – и сравнить ее с соответствующей частотой других заряженных частиц, чья масса известна. Однако все эти «гирьки» Микромира, все эти частицы весят гораздо больше, чем электрон. Например, протон или нейтрон в две тысячи раз тяжелее его. Килограммовой гирей трудно взвесить пушинку. Или, как шутили сами физики, трудно понять, сколько весит кролик, если на соседнюю чашу весов неизменно ставить слонов, перебирая в поисках нужной мерки их стадо. Но другого выбора не было. Поэтому в справочниках указывалось, что масса электрона приблизительно равна 0,91 x 10-27 грамма. Относительная неточность полученного результата была сравнительно высокой и равнялась 4 x 10-10.

Участники недавнего эксперимента (им руководил Свен Штурм из Института ядерной физики в Гейдельберге) изменили принцип работы. Вместо того, чтобы сравнивать циклотронную частоту электрона с частотой обращения любой другой заряженной частицы, они добились того, чтобы атом углерода лишился пяти своих электронов из шести. Теперь они вели наблюдение за структурой, состоявшей из атомного ядра и обращавшегося вокруг него одного-единственного электрона. Преимущество этого метода вот в чем. Масса атомного ядра углерода достоверно точно известна. Во время эксперимента можно оценить, насколько изменилась эта масса, пусть даже она увеличилась на очень маленькую величину, ведь электрон, прилепившийся к ядру, все равно, что комар, севший на обшивку аэробуса, иронично заметил Свен Штурм.

Точность полученного результата оказалась в тринадцать раз выше, чем прежде (она составила 3 x 10-11). Но дело тут не в маниакальном стремлении довести запись в справочных изданиях до энного знака после запятой. Зная гораздо лучше важнейшие характеристики электрона, его массу и электрический заряд, можно значительно повысить точность экспериментов, говорят физики.

Это позволит, например, более точно определить постоянную тонкой структуры. Ведь она прямо пропорциональна квадрату заряда электрона. В квантовой электродинамике эта постоянная, обозначаемая греческой буквой «альфа», характеризует силу электромагнитного взаимодействия. Как подчеркивают ученые, именно от значения этой константы зависит, что мы видим вокруг себя, поскольку она определяет, как будет протекать взаимодействие между светом и веществом.

В свою очередь, от массы электрона зависит значение постоянной Ридберга; она важна в спектральном анализе. Эта константа позволяет вычислять уровни энергии и частоты излучения различных атомов.

Итак, мы все больше узнаем о фундаментальных взаимодействиях материи, в том числе и благодаря новейшей лазерной технике.

Электроны и суперсимметрия

Тем не менее, в области физических наук есть свои белые пятна, и, сколько ни пытались ученые, затевая эксперименты, отправиться в эту даль неизведанного, она остается для них недоступной. Так, все попытки предельно точно определить форму электрона оказывались до сих пор безуспешными. А ведь судьба некоторых альтернативных моделей современной физики зависит от того, какую форму имеет электрон, и вот почему.

Расчеты показывают, что, если такая частица, как электрон, имеет форму, отличную от точечной, и при этом центр ее тяжести не совпадает с центром распределения ее электрического заряда, то у нее должен возникать электрический дипольный момент. Однако его поиски пока не дали никаких результатов.

Между тем, существование дипольного момента у электрона предсказывает теория суперсимметрии (см. «З–С», 8/02) – одна из самых популярных теорий, лежащих за пределами современной физики и намечающих контуры «новой физики».

«Суперсимметрия – это удивительная теория, – отмечал нобелевский лауреат по физике Дэвид Гросс. – Согласно ей, у каждой частицы имеется «суперпартнер» – соответствующая ей «суперчастица» (или, скажем, свой «суперсимметричный» двойник. – А.В.). До сих пор ни один из этих двойников не найден, но, тем не менее, теория суперсимметрии, сама по себе очень стройная и логичная, находит все больше сторонников.

Суперсимметрию считают сегодня неизбежной вехой на пути создания «единой формулы мироздания», «формулы всего». Не случайно, целью экспериментов на Большом адронном коллайдере были не только бозоны Хиггса, но и суперсимметричные частицы. Однако полученные результаты дали повод некоторым ученым в конце 2012 года заявить, что этих частиц, возможно, не существует.

Пытаясь обелить в глазах всего научного мира гипотезу суперсимметрии, физики ринулись исследовать электрон, определять его дипольный момент – и только очернили полюбившуюся им идею. Но обо всем по порядку и поподробнее.

Понятие «диполь» поясняют обычно на примере стержневого магнита с его полюсами, указывающими буковкой N на север и другой – на юг. Электрон, если он обладает электрическим дипольным моментом, напоминает собой такой же магнит. Иными словами, он не совсем похож на бильярдный шар, как его издавна привыкли представлять. Если он и шар, то шар, побывавший в жутких переделках и теперь заметно приплюснутый. Итак, если у электрона нет дипольного момента, он идеально симметричен. Если же этот момент удастся зафиксировать в опытах, значит, симметрия электрона ущербна.

Стандартная модель физики, описывающая все известные нам элементарные частицы, утверждает, что дипольный момент электрона ничтожно мал, его можно считать равным нулю. Однако, согласно теории суперсимметрии, электроны обладают значительным дипольным моментом. И вот уже на протяжении нескольких десятилетий ученые пытаются измерить его, но желаемое всё так же не дается им.

«Теоретически электроны могут обладать дипольным моментом, отличным от нуля, – пишет на страницах Nature лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек из Массачусетсского технологического института. – Ученые предлагали самые хитроумные эксперименты с использованием методов физики твердого тела и молекулярной спектроскопии, с помощью которых можно было бы обнаружить эти крохотные электрические поля… Дипольные моменты могли бы стать центральной темой физики XXI века».

Результаты последнего крупного эксперимента были обнародованы в конце 2013 года. Его проводила коллаборация ACME (руководители – Дэвид Демилль из Йельского университета и Джон Дойл и Джеральд Габриэльзе из Гарвардского университета). Точность полученных результатов была раз в десять выше, чем во всех предыдущих опытах, но дипольный момент опять не обнаружился.

Что это значит? Электрон – это частица, пребывающая в квантовом мире. Возле любой частицы, которая населяет этот фантастический мир, возникает целое облако виртуальных частиц, то есть частиц, которые непрестанно рождаются и исчезают. Самых заурядных, хорошо знакомых нам частиц, говорит стандартная модель физики. Если же справедливы расширенные, альтернативные модели, например, теория суперсимметрии, то в этом облаке на доли мгновения показываются совершенно необычные, гипотетические частицы, которым нет места в стандартной модели. Само это облако имеет асимметричную форму, а у электрона появляется дипольный момент, который поддается измерению. Так гласит теория. Если же этот момент не удается обнаружить, значит, вся теоретическая конструкция выстроена не так. Стройное здание суперсимметрии может тогда запросто рухнуть.

Пытаясь обнаружить дипольный момент, ученые раскручивают электрон. Если он имеет идеальную сферическую форму, как бильярдный шар или, скажем, футбольный мяч, он будет вращаться равномерно. Если он асимметричен, как дыня, как мяч для игры в регби, то и вращаться он будет, покачиваясь.

Коллаборация ACME вела наблюдение за электронами в молекулах моноксида тория. Это – очень массивные молекулы, а потому, если электроны в них начнут покачиваться, это будет особенно заметно. Однако эксперимент показал, что, если дипольный момент у электрона и имеется, то в таком случае с вероятностью в 90% он настолько мал, что расстояние между центром тяжести электрона и центром распределения его заряда не может превышать 10-30 метра, а это значительно меньше, чем предсказывали гипотезы.

Справедливости ради надо сказать, что черные дни настали лишь для самых простых, примитивных моделей суперсимметрии. Что же касается более сложных теорий, то величина возникающего в них дипольного момента электрона настолько мала, что приблизиться к этому значению не удалось даже в самых изощренных сегодняшних экспериментах. «Вообще же, – как иронизирует американский физик Юджин Комминс, – можно предложить сколько угодно моделей суперсимметрии. Хороший теоретик придумает такую модель всего за полчаса, а у экспериментатора уйдет затем лет двадцать на то, чтобы проверить эту модель и разделаться с ней».

Поиск суперсимметричных частиц – одна из главных задач, которые будут поставлены перед учеными, занятыми на Большом адронном коллайдере, когда тот будет снова открыт (см. «З–С», 12/12). Ведь после того, как был обнаружен бозон Хиггса, в стандартной модели физики не осталось «клеточек с пробелами». Значит, настала пора искать элементарные частицы, которые не вписываются в стандартную модель, – искать частицы «новой физики», и поможет это сделать… электрон, частица одновременно и предельно простая, и неисчерпаемая в своей сложности.

«Даже столетие спустя после того, как датский физик Нильс Бор описал электрон как спутник протона, наше представление о нем всё еще развивается и расширяется, – подчеркивает Фрэнк Вильчек. – Электроны и предельно просты, и в то же время невероятно сложны. Они понятны нам вплоть до мельчайших деталей и все-таки остаются таинственными. Электроны образуют солидный фундамент, на котором зиждется мировоззрение физиков, и они же представляют собой своего рода игрушку, которой ученые хотят манипулировать, которую они намерены разъять».

Похоже, прав был Ильич, утверждая, что «электрон так же неисчерпаем, как атом»…

Практика длиной в аттосекунды

В принципе, «аттосекундная физика» – это область фундаментальной науки, но получаемые здесь результаты уже сейчас имеют практическое значение. Например, зная о том, как движутся электроны, можно повысить КПД солнечных элементов. Медики могут наблюдать за тем, как та или иная болезнь развивается еще на молекулярном уровне и эффективно ли организм усваивает вводимые в него лекарства. Биотехнологи выяснят, как в разрабатываемых ими биологических системах электроны будут взаимодействовать с лучами света.

Сделанные (и возможные) открытия важны и для программистов. Скорость выполнения операций компьютера ограничена скоростью переключения элементов микросхемы. По большому счету, она зависит от того, сколько времени нужно электронам, чтобы переместиться из одной части микросхемы в другую.

В твердом теле минимально допустимое расстояние, на которое должны переместиться электроны, чтобы осуществить переключение, равно дистанции между соседними атомами. Значит, предельно допустимый размер любого элемента микросхемы равен размеру атомов вещества, из которого он изготовлен. Сделать его меньше не удастся по определению. Электроны будут перемещаться по этим тончайшим микросхемам за считанные аттосекунды. Частота подобного (гипотетического) процессора будет измеряться в петагерцах – это примерно в миллион раз быстрее, чем в современных персональных компьютерах.

Чтобы понять, как будут работать подобные компьютеры будущего, очень важно знать в мельчайших подробностях, как движутся электроны. Благодаря аттосекундным лазерам мы можем оценить пределы возможностей современной электроники.

Впрочем, ученые намерены с помощью этой техники не только вести наблюдение за электронами, но и манипулировать ими. Ведь любой импульс лазера воздействует на них. Если бы такое было допустимо в Макромире, то, сфотографировав пулю, мы, быть может, остановили бы ее, а то и повернули бы ее вспять. Но в Микромире это-то и возможно! Фотографируя эти незримые, считалось, частицы, мы будем вмешиваться в процессы, протекающие в электронных приборах. Управлять жизненно важными реакциями в организме человека. Так, взявшись наблюдать за жизнью электронов, мы делаемся участниками этого загадочного квантового мира, который скрывается в еще недавно не достижимой для нас глубине всех вещей.

 

А какую форму имеет атомное ядро?

Вспомнив про планетарную модель атома, читатели, конечно же, скажут, что атом круглый, ведь электроны обращаются вокруг атомного ядра по круговой орбите. Ну, а само атомное ядро?

Оно нашпиговано положительно заряженными частицами – протонами, которые вроде бы должны отталкивать друг друга и разлетаться в разные стороны. Лишь сильное взаимодействие, одна из четырех фундаментальных сил, удерживает их внутри ядра, а вместе с ними и незаряженные частицы – нейтроны. От количества частиц, составляющих ядро, и от того, как они взаимодействуют друг с другом, и зависит, как будет выглядеть атомное ядро.

В обычных условиях оно и впрямь чаще всего имеет шаровидную форму. Однако всё может измениться, если в нем появятся дополнительные нейтроны или оно получит порцию энергии извне. Тогда соотношение сил между частицами, составившими ядро, станет иным, а потому может деформироваться само ядро – вытянуться, превратиться из шара в эллипсоид. Треть атомных ядер напоминают собой не шар, а имеют овальные очертания.

Однако расчеты показывают, что при определенном соотношении протонов и нейтронов атомное ядро может принять еще более необычную форму. Оно станет асимметричным, расширяющимся книзу, как груша. Лишь пару лет назад, во время эксперимента, который провели Питер Батлер и его коллеги из Ливерпульского университета, стало ясно, что подобное умозаключение – вовсе не выдумка.

По теории, ближе всего к этой разновидности атомных ядер были некоторые изотопы, например, очень недолговечные изотопы радия и радона (их получают в известном центре ядерных исследовании ЦЕРН, неподалеку от Женевы). Если разогнать их до очень высоких скоростей и направить затем на атомные ядра никеля, кадмия и олова, то после такой сшибки атомные ядра придут в возбужденное состояние и начнут испускать гамма-лучи. Анализируя поток этих лучей, ученые могут понять, какой формы изначально были атомные ядра.

В самом деле, в экспериментах удалось доказать, что атомные ядра радия, хотя бы в течение того короткого времени, что длились опыты, имели особую – грушевидную – форму.

 

Катализ в прямом эфире

В 2013 году ученые впервые наблюдали вживую за тем, как на молекулярном уровне протекает химическая реакция с участием катализатора. Катализаторы – это вещества, которые ускоряют реакцию, а в некоторых случаях она вообще не может протекать в их отсутствие. Многие производственные процессы на химических предприятиях невозможны без участия катализаторов. Они незаменимы, например, при изготовлении отдельных видов топлива или минеральных удобрений, а также при обезвреживании вредных отходов. Сразу же вспоминается катализатор выхлопных газов в автомобиле. Он содержит, в частности, такой ценный металл, как платину, на поверхности которой моноксид углерода (СО) превращается в углекислый газ (CO2).

С помощью специального рентгеновского лазера удалось проследить за тем, как молекулы моноксида углерода скапливаются на поверхности катализатора, изготовленного из рутения (благородного металла платиновой группы), а потом покидают ее. При этом молекулы моноксида углерода на мгновение замирают над катализатором, буквально парят над ним, чтобы затем унестись прочь. В это мгновение они и еще связаны с катализатором, и уже отделились от него; они, как шутят химики, и не рыба, и не мясо. В принципе, такой феномен – гипотетически – уже был описан более полувека назад, но теперь ученые всё это увидели сами.

«Молекула не просто улетает оттуда, – так описывает происходящее один из авторов работы, Мартина дель Анджела из Гамбургского университета, – она на какой-то момент застывает над поверхностью катализатора, оставаясь слабо связанной с ней, но при этом она всё еще способна с ней взаимодействовать. Теперь понятно, почему новые молекулы ухитряются найти себе место на поверхности катализатора, которая вроде бы уже заполнена другими молекулами».

Еще недавно химики могли только мечтать о том, чтобы увидеть, как химическая реакция протекает в реальном режиме времени. Теперь этот шаг сделан.

Reset password

Recover your password
A password will be e-mailed to you.
Back to
Закрыть панель