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超快激光照射捕捉原子在分子间运动

导读: 美国科学家近日使用一种新的超高速摄像机,首次录得两个原子在分子中运动的即时影像,成功捕捉原子持续不到千兆分之一秒的运动瞬间。

  美国科学家近日使用一种新的超高速摄像机,首次录得两个原子在分子中运动的即时影像,成功捕捉原子持续不到千兆分之一秒的运动瞬间。这项实验的详细报告发表在本周的《自然》杂志上。

  该实验的关键部分是,研究人员利用分子本身的电子能量作为一种“闪光灯泡(flash bulb)”照亮分子的运动。该研究小组利用超快激光脉冲射到一个分子上,从其中一个原子周围轨道撞出一个电子,电子跌回分子上形成微小碰撞,类似于一个物体周围的光散射,或池塘里的涟漪。美国俄亥俄州立大学的物理学教授路易斯•迪莫罗(Louis DiMauro)说:“这一研究成果标志着我们不仅向观察化学反应,而且在原子尺度控制方面迈出了第一步。通过这些实验,我们意识到,通过调整激光发射,就可以在电子跌回分子上时控制电子的量子轨迹。下一步将要看到,我们是否能恰到好处的引导电子,达到控制化学反应的目的。”

  让一个静止物体成像的标准技术包括利用电子束射击拍摄对象,每秒以数以百万计的电子轰击。研究人员的新的单一电子量子方法使他们能够捕捉到快速的分子运动。一种被称为激光诱导电子衍射仪(laser induced electron diffraction,LIED )的技术常用在表面科学(surface science)领域,用于研究固体材料。在此项实验中,研究人员用它来研究单个分子中的原子运动。他们用于研究的分子构造相对简单,即空气主要成分氮,或氮气,以及氧,或氧气。氮气和氧气是大气中常见的气体,科学家已经知道其结构的每一个细节,所以这两种非常基本的分子作为LIED方法是很好的测试例子。

两个原子在分子中运动的即时影像

图为 科学家利用超快摄像机首次捕捉到两个原子在分子中运动的即时影像

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