Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №23/2006

НОВОСТИ НАУКИ

Светить всегда, светить везде...

Мы недавно справили столетний юбилей опубликования А.Эйнштейном своих знаменитых статей, с которых, по существу, начались современная физика и фотохимия. В частности, в одной статье разбирался – как мы теперь понимаем – квантовый механизм фотоэффекта.

Эйнштейн полагал, что выбивание электронов из атома возможно объяснить, только если вообразить себе существование особых световых «корпускул». Его противники, отцы-основатели квантовой физики, считавшие, что свет – это волна, пытались потом спасти положение, назвав эти «корпускулы» совершенно невообразимыми в обыденной жизни «волновыми пакетами».

Лишь много позже для описания новых реалий квантового мира нашли два уже привычных нам слова: «квант» и «фотон». Квант – это неделимая единица любой энергии, а фотон – световой квант, или квант световой энергии.

После войны, когда в промышленных масштабах стали производить искусственные кристаллы, в частности рубиновые, появилась идея косвенным (лазерным) путем воздействовать на электроны и заставить их совокупность испускать когерентные лучи света.

В принципе электрон довольно легко воспринимает энергетическую «заботу» о нем, и при том же нагревании металла откликается излучением фотона (железо, раскаленное в горне докрасна). То же самое происходит и в случае с нитью накаливания в обычной электролампе. Но это – хаотичное, а не упорядоченное когерентное излучение, о котором мечтали физики. Первое отличается от второго точно так же, как обычная толпа от военного парада.

Оптическая накачка в кристаллах позволила впервые получить «чистое», т.е. монохроматическое излучение. В полном соответствии с постулатом Эйнштейна воздействие фотонов на электроны зависело от их частоты («цветности»), а не от интенсивности. Это легко доказывается сегодня в быту: инфракрасный пульт с длиной волны 1–100 микрометров никак не влияет на наше здоровье, в то время как ультрафиолетовые лампы используют для стерилизации, т.е. убийства микробов и вирусов (кванты ультрафиолетового излучения с длиной волны 10–100 нанометров буквально на куски рвут генные нуклеиновые кислоты возбудителей заболеваний).

Но сегодня обходной лазерный путь уже никак не удовлетворяет ученых в их неутомимых поисках все более точных приборов со все повышающейся разрешающей способностью как в пространстве, так и во времени. А для этого необходимо получать фотоны непосредственно от «свободных» электронов, которые не очень-то охотно идут навстречу пожеланиям исследователей. Но похоже, что и здесь в последнее время наметился прогресс.

Речь идет о линейных ускорителях – «линаках» (linасlinear accelerator), позволяющих получить устойчивый электронный пучок, непосредственно испускающий столь желанные когерентные фотоны разной интенсивности и все уменьшающейся продолжительности импульсов вплоть до аттосекундных! В какой-то мере мы являемся свидетелями новой «электронной» революции в исследовательских методах.

Линейный ускоритель электронов
Линейный ускоритель
электронов

Предыдущая случилась вскоре после второй мировой войны, когда ученые получили в свое распоряжение электронный микроскоп. Длина волны электрона значительно меньше световой, измеряемой сотнями нанометров. Обычный оптический микроскоп не позволял получить увеличение свыше двух тысяч раз. С его помощью можно было увидеть крупные митохондрии клеток в самом большом вирусе оспы. В электронном же микроскопе ученые увидели буквально все – вплоть до гигантских белковых комплексов.

Сейчас же речь идет о новом качественном уровне научного исследования, когда станет возможным обнаружить переход электрона в ходе химической реакции, происходящий за несколько фемто- или сотни аттосекунд, а также сложные движения протеиновой цепи в ходе складывания белка, что очень важно для понимания сложнейших процессов белковой химии и разработки лекарств новых поколений.

Как же удается «подобраться» непосредственно к электронам? Для этого полученное в линейном ускорителе электронное облако пропускают по длинному – до 150 м – магнитному «коридору». Облако разгоняется последовательными магнитами, в результате чего оно испускает фотоны. Те в свою очередь, подобно собакам пастуха, сбивают «отару» электронов в кучу.

Поскольку одноименно заряженные электроны в полном соответствии с законом Кулона отталкиваются друг от друга, пытаясь разбежаться в разные стороны, энергетический уровень электронного облака повышается, в результате чего оно испускает еще больше фотонов все уменьшающейся длины волны. Начинается своеобразная фотонная «цепная реакция».

Опять же в полном соответствии с законами квантовой физики отклоняющийся от магнита к магниту пучок электронов испускает рентгеновские квантовые импульсы аттосекундной длительности. Сейчас такими краткими импульсами уже почти никого не удивишь, но получают их редко и мало, поэтому каждый успех на вес золота. Дело в том, что характеристики излучения обычного лазера сильно зависят от природы кристалла, поэтому в его излучении очень мало рентгеновских квантов с длиной волны от 1 пикометра до 10 нанометров, т.е. получается очень «размытый» спектр.

Задача разработчиков «линаков» состоит в налаживании «промышленного производства» экзотических по своей малой продолжительности световых импульсов. Помимо этого, получаемые непосредственно от электронов пучки квантов очень концентрированные, что позволит ученым проводить внутриатомные «операции», лишая, например, с помощью рентгеновских импульсов атом его внутренней электронной оболочки и сохраняя при этом наружную – «химическую».

Это в свою очередь открывает невиданные перспективы перед квантовой химией, поскольку появляется возможность управлять временем перехода электрона при замыкании или разрыве химической связи.

Материал подготовил И.Э.Лалаянц
(New Scientist, 2006, № 2535, р. 33)