Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2000 № 03

Фемто… (от латинского femten — пятнадцать) не что иное, как приставка к наименованию единицы физической величины. В числовом выражении это 10 -15. Чтобы хоть как-то представить себе ничтожно малый отрезок времени, равный фемтосекунде, скажем, что она настолько же меньше секунды, насколько та, в свою очередь, меньше 32 млн. лет! Даже лазерный луч, движущийся, как известно, со скоростью света, за 100 фемтосекунд успевает продвинуться всего лишь на… 0,03 мм!

Зевайлу удалось как бы «заморозить» весьма быстротекущие процессы в некоторых реакциях, пронаблюдать и зарегистрировать их.

Понятно, что для этого ему пришлось разработать специальную методику и сконструировать аппаратуру, которую эксперты назвали «самой быстрой кинокамерой в мире».

Сам Зевайл, поясняя суть дела, вспомнил о знаменитой серии снимков скачущей галопом лошади, снятой в свое время фотографом Эдвардом Майбриджем. Для съемки Майбридж использовал несколько камер, затворы которых срабатывали от нитей, протянутых через беговую дорожку. По мере того, как лошадь бежала, она обрывала то одну, то другую нить, и фотозатворы срабатывали, фиксируя ту или иную фазу бега.

Схема временных масштабов, иллюстрирующая продолжительность различных процессов.

Так выглядит ячейка фемтоспектроскопа, в которой проводились опыты.

Зевайл пошел тем же путем, но только в другой стезе — он решил «наблюдать молекулы в полете».

Созданный им так называемый фемтоспектроскоп — лазерное устройство, способное посылать очень короткие световые импульсы. Вспышка одного лазера запускает реакцию, второй лазер регистрирует изменения с интервалами в 10 фемтосекунд. В результате спектограф фиксирует возникновение и распад химических связей в каждый последующий момент…

Такой прием позволил ученому сразу на много порядков увеличить разрешающую способность современной аппаратуры и наблюдать за движением атомов в молекулах во время химических реакций.

Вид скоротечной химической реакции в свете лазерной вспышки.

Фемтоспектроскопия с ее стробоскопическим освещением химических процессов и стала основой фемтохимии — науки, открывающей возможность целенаправленного управления даже самыми быстротекущими реакциями, подобными взрыву…

Как известно, скорости химических реакций разнятся значительно: сравните, например, время, за которое гвоздь покрывается ржавчиной, и время, за которое взрывается динамит. Но у всех есть нечто общее — скорость их, как правило, возрастает с повышением температуры (по мере того, как движение молекул становится все более интенсивным).

При обычном столкновении двух молекул чаще всего ничего не происходит — они просто отскакивают друг от друга. Но когда температура повышается настолько, что столкновения становятся достаточно сильными, молекулы вступают в реакцию друг с другом, поскольку существовавшие прежде химические связи рвутся и образуются новые.

Специалисты долгое время полагали, что претендующая на участие в реакции молекула прежде всего должна быть активирована. Иными словами, она должна быть переведена в некоторое возбужденное состояние, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Величина его определяется силами, которые удерживают атомы в составе молекулы. Потенциальный барьер химической реакции — по существу аналогичен силе гравитации, которую должна преодолеть запущенная с Земли ракета, прежде чем она будет захвачена полем тяготения Луны.

Профиль распределения энергии на внутриатомных расстояниях в соединении NaI при распадении его на составные атомы. Выявить особенности процесса удалось лишь при рассмотрении фемтомолекулярных интервалов времени.

График распределения потенциальной энергии при объединении молекул в синтезе циклобутана.