Чрезвычайно интересных результатов добилась группа исследователей из Института молекулярных исследований имени Эдгарда Стиси (Steacie Institute for Molecular Sciences) Национального научного совета Канады в Оттаве. Используя оригинальную методику они сумели впервые в мире получить трехмерное изображение молекулярной орбитали - области пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона в молекуле.

Молекулярная орбиталь: трехмерное изображение (вверху) и двумерный вариант

Согласно теории молекулярных орбиталей, при взаимодействии атомов электроны переходят с относительно простых атомных орбиталей, расположенных вокруг ядра, на более сложные молекулярные орбитали.

Число молекулярных орбиталей соответствует суммарному числу орбиталей в атомах, а сами молекулярные орбитали охватывают всю молекулу и имеют несколько центров - ядер атомов, входящих в состав молекулы. Формы молекулярных орбиталей (как и атомных) задаются сложными квантово-механическими уравнениями.

Для проведения исследований учеными во главе с Дэвидом Вильневым использовалась молекула азота, которая имеет достаточно простое линейное строение. В ходе опытов молекула азота помещалась во вращающуюся вакуумную камеру и облучалась очень короткими - длительностью в 2 фемтосекунды (2·10^-15 c) - лазерными импульсами. Лазерный луч на короткое время выбивал электрон из молекулы, ионизируя ее. При возвращении электрона в молекулу испускается рентгеновский фотон, который интерферирует с излучением лазера, сообщает Nature Science Update. Полученная интерференционная картина и стала ключом к получению изображения молекулярной орбитали.

Трехмерное изображение орбитали удалось получить благодаря методу, похожему на компьютерную томографию, когда вокруг пациента вращается источник рентгеновских лучей. В данном случае вращалась сама вакуумная камера с молекулой азота. Полученная картина соответствует одному электрону, "размазанному" в молекуле азота. Точную его позицию не позволяет определить соотношение неопределенности Гейзенберга. На иллюстрации показана трехмерная картина и ее двумерный "разрез". Как видно, электронная плотность концентрируется вокруг ядер обоих атомов азота (красные и оранжевые области соответствуют орбитали электрона, темные точки - ядрам) и между ядрами (синяя область).

В перспективе Вильнев и его коллеги планируют провести аналогичные исследования для более сложных молекул, а в будущем надеются понаблюдать за изменением формы орбиталей in situ - непосредственно в ходе химической реакции.