其他

分子也做斷層掃描

想知道如何拍下電子軌道的立體影像嗎?

撰文/柯林斯(Graham P. Collins)
翻譯/宋宜真

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分子也做斷層掃描

想知道如何拍下電子軌道的立體影像嗎?

撰文/柯林斯(Graham P. Collins)
翻譯/宋宜真

在量子的世界中,物體都是以波函數來描述。例如,電子便是以波動般的軌道繞著分子運行,從它所遺留下來的軌跡形狀,便可以決定電子的能量,以及分子在各種化學反應時所具有的特性。但是由於海森堡測不準原理,這些電子簡直像是練過泥鰍功一般,讓想要準確捕捉到其軌跡全貌的人無功而返。

不過,位於渥太華的加拿大國家研究委員會,其研究人員最近卻針對氮分子最外層的電子,拍攝出其繞行軌道的三維立體影像。他們的造影方法因為「快門速度」夠快,未來有可能捕捉得到化學反應進行時的分子影像。


這個研究團隊是由庫爾肯(Paul B. Corkum)和威爾諾夫(David M. Villeneuve)所主導,他們使用的是持續時間僅僅30飛秒(1飛秒=10-15秒)的雷射脈衝。每當發射一次脈衝,光波的電場就會產生10幾次的振盪,而每振盪一次,都會驅使氮分子最外層的電子離開分子,然後再回來。






經由造影所顯示出的氮分子電子軌道(上圖),與理論模型所計算出來的軌道(下圖)十分吻合。影像的尺寸都是0.6奈米×0.6奈米,顏色表示量子波函數的振幅,其中紅色和深藍色的區域是電子最有可能出現的地方。



表面上,這個團隊似乎是使用雷射來「照亮」電子,但實際上,是電子在返回分子的過程中,會展現出造影光束的行為。更精確來說,這個雷射場會驅動一小部份的電子波離開後再回來。我們可以把它想像為,電子是同時存在於兩處,大部份時間電子仍待在原有的軌道上,但有時候會離開一下。


急遽的加速會讓行進中的電子波轉變為平面波,就像一道波長極短的電子束所形成的有規律脈衝,完全符合造影所需。一旦平面波折返並橫越過分子,它便會與待在軌道上的電子波產生干涉圖樣,就像是兩道水波相遇所形成的西洋棋盤般明暗交錯的擾動。


為了要完成造影,研究人員必須偵測干涉的圖樣。當平面波行進時,干涉的圖樣會快速振盪,因而放射出紫外線,研究人員便可以觀測得到。藉由行進中的電子波所獲得關於電子軌道投影的資訊,會包含在輻射出的紫外線中。


要產生三維影像,必須從不同角度重複同樣的過程,就像醫院的電腦斷層掃描一樣。設定角度的方法,是在造影的雷射脈衝到達之前,先以幾皮秒(1皮秒=10-12秒)這種稍弱的脈衝來羅列樣本中的氮分子。


造影所產生的影像結果,和理論所計算出的電子軌道形狀十分吻合。德國慕尼黑的馬克士普朗克量子光學研究所的克勞茲(Ferenc Krausz)說:「當我首次見到由實驗所獲得的分子軌道影像時,我真的很興奮。這項技術潛力無窮。」


克勞茲的研究團隊曾經在2003年底,以250阿秒(1阿秒=10-18秒)的極紫外線脈衝(目前所能製造出波長最短的光脈衝),驗證了另外一種造影方法。這兩種方式是互補的,克勞茲團隊專注於內部電子的動力學,而庫爾肯和威爾諾夫,則把心力放在最外層的電子上。


這項技術最令人感到有興趣的,是應用在結構更為複雜的分子,以及在化學反應的過程中所捕捉到的分子上。威爾諾夫說,他正考慮拿三氟甲基碘試試,該團隊所製造出的雷射脈衝可以打散這種分子。他說:「接著我們便可以檢視打散後的分子,並量測原子的活動狀況。」


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2005年第39期5月號】