Наука и жизнь, 2000 № 02 | страница 42
Химические реакции могут проходить с различными скоростями: чем сильнее нагреты вещества, тем быстрее они провзаимодействуют. Простую зависимость скорости реакции от температуры вывел в конце XX века шведский химик Сванте Аррениус. Однако при очень сильном нагреве реакции проходят столь быстро, что о процессах на молекулярном уровне можно было судить только по косвенным признакам и теоретическим расчетам. Молекула успевает распасться на компоненты, или наоборот: отдельные атомы могут собраться в молекулу за ничтожно малый промежуток времени — 100–200 фемтосекунд (1 фс = 10>-15 сек). Динамика таких сверхбыстрых явлений долго оставалась одной из фундаментальных проблем современной химии.
В конце 80-х годов сотрудник Калифорнийского технологического института Ахмед Зивэйл начал цикл работ по исследованию сверхбыстрых реакций, инициируемых лазерным импульсом фемтосекундной длительности. Первым стал эксперимент по изучению распада молекулы цианида иода: ICN —> I + CN, происходящего за 200 фемтосекунд. При изучении диссоциации иодистого натрия Nal —> Na + I лазерный импульс сжимал ионную пару Na>+I до расстояния 0,28 нанометра (10>-9 м) между атомами, создавая соединение [Nal]*. Предполагалось, что его атомы скрепляет ковалентная связь, при которой оба атома охватывает общее электронное «облако». Однако выяснилось, что свойства соединения меняются из-за быстрых колебаний атомов. Когда расстояние между атомами возрастает до 1–1,5 нм, они превращаются в ионы, а при сближении действительно возникает ковалентная связь. В средней же точке колебательного цикла, на расстоянии около 0,69 нм, возникает очень высокая вероятность, что молекула вернется в свое основное состояние или распадется на атомы иода и натрия. Затем последовали многочисленные эксперименты по изучению органических соединений, позволившие обнаружить не известные ранее стадии реакций синтеза и распада сложных молекул.
Увидеть их позволила виртуозная техника исследований. Мощный лазерный импульс вызывает какие-то изменения в состоянии молекул. Возвращаясь в исходное состояние, они испускают излучение, по спектру которого можно судить о протекающих процессах. При этом необходимо регистрировать импульсы излучения длительностью 10>-10 — 10>-14 секунды.
За работы в области фемтохимии А. Зивэйл был удостоен Нобелевской премии 1999 года по химии. Конечно, его вклад в мировую науку трудно переоценить. Столетиями химики пользовались терминами вроде «активация» или «переходное состояние», не видя, что же в действительности эти явления собой представляют. Теперь такая возможность у химиков появилась.
