分子震動live秀 超快電子繞射(UED)

(SLAC National Accelerator Laboratory)
©SLAC National Accelerator Laboratory

■科學家利用電子繞技術觀測碘分子受到雷射激發後鍵長的變化及震動的頻率。

撰文|方程毅

根據熱力學,任何分子在常溫下隨時都在震動,其震動幅度跟溫度有關,若外界提供額外能量,震動幅度便會改變。這些現象早已經過許多理論計算及驗證,但在過去卻不易直接觀測,如今科學已進步到可以測量並即時監測,好像在看分子震動live秀一樣。

這項技術稱為超快電子繞射 Ultrafast Electron Diffraction (UED)。

有多快?

大約100飛秒(fs)

當我們在攝影時,若要精準捕捉每一個畫面,每秒所含的訊框(frame)就要夠多,一般攝影機每秒拍攝24幀(frame),這個速度足以應付一般影片所需。但要拍攝較高速的移動,例如運動比賽,便需要高速攝影機,才能捕捉到球被擊出的瞬間或是選手在某個時刻的表情。也就是說拍攝對象移動的速度越快,每秒所含的訊框就要越多。現在我們想要拍攝一個分子的振動,攝影機拍攝的頻率就至少高於分子振動頻率,分子的震動周期大約是400飛秒(fs),一飛秒等於 \ 10^{-15} 秒,所以才需要「超快」電子繞射。

不僅攝影機速度要快,解析度也要夠好,否則什麼細節也看不到,一般攝影機成像用可見光,但分子尺度實在太小,可見光已無法解析 (因為光波長遠大於分子,超過其繞射極限),因此必須使用物質波更短的電子進行成像(任何物質都有波粒二重性,電子在分子等級的小尺度下波動性質會非常明顯)。

基於上述這些原因,超快電子繞射約莫在1980年代開始發展,到了2016年的此時,美國內布拉斯加大學林肯分校(University of Nebraska-Lincoln)、SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)及德國波茨坦大學(Potsdam University)共同合作,利用這項技術即時看到碘分子的震動,此結果刊載於Physical Review Letters

拍攝出來的實際影像跟我們想像的攝影不太一樣,因為並不是真的看到兩顆原子在震動,而是觀測繞射圖形。國中理化大家都學過雙狹縫干涉,一束光經過雙狹縫會在背後紙屏出現干涉條紋,條紋間距取決於光波長及狹縫間距。一個雙原子分子對電子來說就像雙狹縫,當分子震動,鍵長改變時,就好像狹縫間距改變,其繞射條紋會產生變化,透過觀測繞射條紋我們便等同於即時觀測的分子震動,並精準計算分子間距。

利用繞射技術對分子結構進行探討並不是什麼大新聞,X光繞射鑑定分子結構及對稱性早已具有廣泛應用,但X光只能跟電子進行交互作用;而電子卻能看到原子核等級,也就是說當一個分子的間距改變時,兩個原子的原子核距離也會改變,透過超快電子繞射技術便可清楚解析鍵長。

根據實驗結果,碘分子本身鍵長2.7Å,當被一道波長530nm的雷射脈波激發時,鍵長會變為3.9Å,並以週期為400飛秒在3.9Å及2.7Å之間震盪。400飛秒大約可以讓光子走人毛髮直徑這麼長的距離,所以稱之為超快一點都不為過。

論文作者Jie Yang表示:「我們之前利用這項技術觀測分子旋轉,現在我們更證明可以看到因為震動造成的鍵長改變。」研究團隊未來將更進一步觀測多原子分子的震動及結構變化。

 

超快電子繞射原理解說(SLAC國家加速器實驗室)

 

原始論文: J. Yang et al., accepted by Physical Review Letters (arXiv:1608.07725). arxiv.org/abs/1608.07725

參考資料:SLAC’s High-speed ‘Electron Camera’ Films Atomic Nuclei in Vibrating Molecules

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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