美國科學家成功觀察電子在分子內的超高速運動及其對化學反應的影響

美國能源部的 SLAC 國家加速器實驗室進行了一項突破性實驗，使科學家能夠在極其微小的時間尺度內觀察到電子在分子內的運動。這項實驗揭示了化學反應的最早階段是如何展開的。數十年來，科學家們已經意識到電子在化學反應中扮演著核心角色。當化學鍵斷裂和新鍵形成時，電子最終負責推動這些轉變。然而，準確觀察電子在反應最初時刻的行為卻極為困難。現在，SLAC 國家加速器實驗室的研究人員在解決這一問題方面邁出了重要的一步。

利用先進的 X 射線激光，團隊創建了一種分子“電影”，展示了在化學反應初期電子的運動。

觀察電子運動的技術

實驗捕捉到了發生在阿秒時間尺度上的事件。阿秒是十億分之一的十億分之一秒，這是一個幾乎無法想象的短暫時間。然而，在這些瞬息萬變的時間間隔內，分子內部的重要變化已經開始發生。SLAC 的首席科學家 Taran Driver 表示：“通過改善這些模型並將其與現實世界的實驗進行對比，我們可以更好地理解電子如何驅動化學反應，並希望有一天能夠更好地預測和控制這些反應。”化學反應在我們看來似乎是瞬間發生的，但在原子層面，它們涉及一系列極為快速的事件。

研究人員研究了當一個分子突然失去一個電子時會發生什麼。這一過程稱為衝擊電離，將其餘電子置於高度激發的量子狀態。

接著，團隊利用 SLAC 的 Linac Coherent Light Source (LCLS) X 射線自由電子激光拍攝了接下來發生的情況。該技術涉及兩個精確定時的 X 射線脈衝。第一個脈衝通過移除分子中的一個電子來觸發該過程。第二個脈衝在經過精確控制的延遲後到達，並允許研究人員確定電子的運動情況。通過改變兩個 X 射線閃光之間的延遲，科學家能夠有效地重建分子事件的逐幀序列。

該實驗在反應的前十個飛秒內產生了 10 個時間戳。飛秒比阿秒長，但仍然僅為十億分之一秒的百萬分之一。這些快照共同創造了類似於化學反應慢動作電影的效果。

Coster-Kronig 衰變的重要性

其中一個最重要的觀察發生在第一個飛秒內。在初始 X 射線脈衝移除一個電子後，分子迅速通過從其內部電子殼中彈出另一個低能電子來放鬆。科學家稱這一過程為 Coster-Kronig 衰變。雖然這一現象在理論上已經存在，但研究人員此前從未在其自然時間尺度上捕捉到其演變。這一觀察具有重要意義，因為在此過程中產生的低能電子可以與周圍分子相互作用。例如，在生物系統中，這些電子可能會導致輻射損傷，甚至在斷裂 DNA 鏈中發揮作用。

能夠直接觀察該過程使科學家對高能輻射後能量如何在物質中移動有了更清晰的認識。

電子孔的遷移與影響

實驗在接下來的幾個飛秒內揭示了另一個顯著現象。當原始電子被移除後，留下了科學家所描述的電子孔——本質上是分子中的一個缺失電子。這個洞並沒有保持在一個地方，而是通過分子遷移，直到另一個電子最終填補了它。研究人員認為這種運動是由量子相干性驅動的，這是一種量子狀態之間保持良好定義關係的現象。這一觀察尤其重要，因為這種瞬息萬變的電子運動可能會影響反應後續的過程，包括化學鍵的斷裂和形成。

換句話説，研究人員能夠觀察到在傳統化學可見的分子鍵變化之前發生的電子事件。實驗顯示，在大約 10 個飛秒後，早期電子運動的影響開始在分子結構中顯現。