Развал молекулы иодида натрия при поглощении света — классический пример реакции, динамика которой была прослежена на фемтосекундном масштабе. Сразу после поглощения света молекула переходит в промежуточное возбужденное состояние, в котором ионы натрия и иода колеблются с периодом в сотни фемтосекунд, и лишь спустя некоторое время молекула разваливается. График внизу показывает количество вылетевших атомов натрия через определенное время после поглощения света
Вся химия держится на электронах. Находящиеся рядом атомы чувствуют друг друга своими электронными оболочками, самые внешние электронные облака начинают окутывать собой сразу два или более атомов — и возникает химическая связь. Это простое напоминание плюс опыт, который мы приобрели на предыдущих страничках, позволяют оценить длительность элементарного акта химической реакции, позволяют почувствовать, сколько времени нужно на образование или разрыв химической связи.
Если два атома внезапно поместить друг рядом с другом, так, чтобы валентные электроны вдруг обнаружили себя в новых условиях, то электронному облаку потребуется, условно говоря, несколько перетеканий туда-сюда, прежде чем устаканится новая электронная конфигурация и возникнет химическая связь. Опираясь на нашу оценку электронного времени, мы знаем, что займет этот процесс несколько (или несколько десятков) фемтосекунд.
Однако два атома не могут внезапно оказаться в другом месте, они должны подлететь друг к другу. Для типичной реакции в газовой фазе скорости молекул — тепловые, но только температуры там, как правило, высокие. Взяв скорость молекул 1000 м/с и расстояние, на которое они должны подлететь (порядка нескольких ангстрем), мы получим несколько сотен фс. И заметьте — это не просто пассивное сближение молекул. За это время настраивается электронная связь между ними, возникают и исчезают нестабильные промежуточные состояния — в общем, молекулы успевают за это время прожить полноценный этап «установления отношений».
Эти оценки доказывают, что самые базовые шаги химических реакций протекают на фемтосекундных масштабах. Их изучением занимается особый раздел на стыке химической и атомной физики под названием фемтохимия. Нобелевская премия по химии за 1999 год была присуждена Ахмеду Зевейлу как раз за развитие экспериментальных методов, позволивших увидеть фемтосекундную жизнь химической реакции. Подробнее про этот раздел химической науки можно прочитать в популярной статье А. Л. Бучаченко Время в химии, опубликованной в 2001 году в Соросовском образовательном журнале.
Между прочим, бывают и ситуации, когда атомам не нужно сдвигаться, — например, когда химические превращения вызывает поглощенный квант света, фотон. В этом случае быстрая динамика электронов протекает на масштабе в десятки и сотни фемтосекунд. Причем касается это не только химических реакций между отдельными молекулами, но и превращения в цельном кусочке вещества.
Сверхбыстрый нетепловой механизм плавления кристалла. Изображение с сайта journals.aps.org
В рассказе о пикосекундах мы намекнули на некий загадочный сверхбыстрый нетепловой механизм плавления кристалла при поглощении мощной световой вспышки. Теперь мы раскроем секрет. Когда вещество поглощает сверхмощный световой импульс, в этот процесс вовлекается очень много электронов. Даже те электроны, которые раньше спокойно сидели и обеспечивали химическую связь между ионами вещества, тоже поглотили фотоны и стали частью горячего электронного газа. Получается, что у вещества разрушилась химическая связь. Ионы, которые раньше удерживались этими силами в узлах кристаллической решетки, вдруг почувствовали себя относительно свободными — и тут же полетели прочь со своих «насиженных мест». Макроскопически это и означает, что кристалл вдруг оказался в некристаллическом, расплавленном состоянии несмотря на то, что ионы еще не успели нагреться. И это плавление действительно может произойти за доли пикосекунды.
Фемтобиология Оптические вычислительные технологии