Диссоциация молекул и “фотонное увлечение”

В Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Академии наук СССР научились разрезать длинную молекулу ДНК на небольшие части светом лазера.

Это удалось сделать не сразу. Направленный непосредственно на молекулу лазерный луч не разъединял отдельные фрагменты ДНК, которые необходимы биологам для внимательного изучения, а соединял их вместе.

Остроумный прием позволил преодолеть неожиданное препятствие. К раствору ДНК в воде подмешали краситель, образовавший химическое соединение с определенными частями длинной молекулы. Краситель затем переводили в возбужденное состояние ультрафиолетовым излучением аргонового лазера. Возбуждение передавалось соседям красителя, находящимся на расстоянии не более 10 ангстрем, и… происходил отрыв части молекулы от разветвленной спирали ДНК.

Строение похожей на двойную спираль сложной молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК, которая помнит и передает по наследству особенности любого организма, удалось расшифровать благодаря рентгеновским снимкам.

После этих опытов уже на другой установке проводился обычный химический анализ состава обоих компонентов молекулы. А как, вероятно, было бы интересно непрерывно наблюдать за сложными процессами микрохирургического фоторазрезания молекул, например, в ионном проекторе или электронном микроскопе!

Такие исследования проводят сейчас ученые Института спектроскопии Академии наук СССР, расположенного под Москвой в тихом и уютном городе Троицке.

Несколько лет назад молодые сотрудники этого института получили премию Ленинского комсомола за открытие эффекта, именуемого «многофотонной диссоциацией молекул». Непрерывно направляя на смесь газов много фотонов определенной энергии, исследователи могли разделить на составные части молекулы именно того химического соединения, которое было необходимо выделить из газовой смеси. Работы по разделению молекул непосредственно смыкаются с другим очень важным, для практики особенно, циклом исследований, посвященным разделению изотопов лучом лазера и очистке от вредных примесей газов, используемых в электронной промышленности.

Пучок атомов натрия летит в вакууме навстречу лазерным лучам — и свет тормозит движение атомов! На этой установке ученые института спектроскопии Академии наук СССР изучают взаимодействие света с веществом.

Ученые института уже передают этот метод в производство — он оказался очень удобным и полезным для создания материалов, необходимых в атомной энергетике и электронике.

Недалеко то время, когда топливо для атомных электростанций будет получаться без применения многократных и дорогостоящих процессов: чистый, бесшумный и быстрый лазерный луч заменит химические установки.

В статье, посвященной этой важной проблеме, академик Е. П. Велихов и профессор В. С. Летохов пишут: «По существу, речь идет о новом подходе в технологии получения материалов на атомно-молекулярном уровне, когда с помощью лазерного излучения можно непосредственно воздействовать на атомы и молекулы определенного сорта… Развитие этих методов обещает существенно снизить стоимость обогащения большинства изотопов, необходимых науке и технике в ограниченном количестве, а также, вполне возможно, изотопов, нужных для атомной промышленности в крупных масштабах».

Умело владея лазерным лучом, физики, как опытные хирурги,делят на части, удобные для изучения,самые сложные и устойчивые молекулы.

Один из лауреатов премии Ленинского комсомола, кандидат наук Юрий Аркадьевич Горохов показал мне лаборатории института и с увлечением рассказал о работах своих товарищей.

В каждой комнате чудеса: лучи лазера считают в потоке газа посторонние атомы, заставляя их светиться, лазер вызывает звуковые волны или увлекает за собой половину газовой смеси,рождая быстрое механическое движение одних молекул относительно других.

В лаборатории профессора В. С. Летохова нашим глазам открывается фантастическое зрелище: большая полутемная комната с поблескивающими лампочками приборов расчерчена летящими в воздухе по разным направлениям разноцветными лазерными лучами. Посредине сверкающих световых стрел стоит молодой увлеченный физик, управляющий их стремительным движением, и внимательно смотрит на экран прибора. Он так поглощен своими наблюдениями, что даже не оглядывается на вошедших в комнату. Его товарищи работают с другими устройствами этой сложной установки.

«Здесь пучок летящих в вакууме атомов натрия замедляется встречным лучом лазера. Сейчас их скорость удается уменьшить на 9 м/ сек. При достаточной мощности светового потока нагретые и разогнанные в прозрачной камере атомы натрия можно будет полностью остановить»,— комментирует происходящее в комнате хозяин лазерного царства.

Я начинаю понемногу «распутывать» извилистый путь световых лучей. Зеленый луч аргонового лазера попадает в кювету с красителем, возбуждает в нем мощное желтое лазерное излучение, которое после отражения в нескольких зеркалах попадает в камеру, где ему навстречу летят атомы натрия, и замедляет их движение. В эту же кювету направляется еще один, более слабый лазерный луч — наблюдатель и свидетель происходящих событий. Некоторые из атомов натрия начинают в ответ на сигналы второго лазерного луча испускать собственное люминесцентное излучение.

Современные проекты солнечных парусов для движения космических кораблей основаны на опытах П. Н. Лебедева, выполненных в начале XX века.

Спектр этого излучения, его интенсивность и время появления можно было наблюдать на экране прибора, за которым так напряженно следили участники эксперимента. Характеристики излучения атомов натрия зависели от скорости их пролета через камеру. На экране было отчетливо видно, какая часть атомов летит с прежней скоростью и сколько атомов потеряло значительную долю энергии после лобового столкновения с лазерным лучом.

Здесь невольно вспомнились исследования, выполненные несколько лет назад в Ленинградском физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе, в лаборатории профессора С. М. Рывкина.

Ленинградским физикам удалось вызвать движение электронов в кристаллах, облучая кристаллы невидимым светом инфракрасных лазеров.

Такие лазеры были специально выбраны исследователями для этих экспериментов — их энергии не хватало для того, чтобы возникло явление фотоэффекта, которое могло бы помешать наблюдению других эффектов.

Ученые ленинградского института подобрали открытому ими физическому явлению образное название: «увлечение электронов фотонами» или «фотонное увлечение». Но этот процесс происходил внутри твердого тела, где электрон имеет значительно меньшую энергию, чем на свободе, в вакуумном пространстве. К тому же это были легкие электроны, а не тяжелые атомы.

Эксперименты, выполняемые в Институте спектроскопии, доказывают, что могучему лазерному лучу по плечу, казалось бы, невозможное — остановить летящие атомы!

Скоро к профессиям лазерного луча прибавится еще одна — управление движением нейтральных и заряженных атомов, например, на ускорителях.

Как далеко ушла техника современного физического эксперимента! А ведь описанные только что опыты являются прямыми потомками исторических исследований знаменитого русского физика Петра Николаевича Лебедева, в начале нашего века впервые измерившего давление света на твердые тела. Казалось, что ювелирную точность измерений П. Н. Лебедева никогда не удастся превзойти. Невероятным казалось и само явление: очень слабое, но явное механическое давление света.

Как удивлены были бы современники П. Н. Лебедева, если бы они узнали, что внешне бесплотный и невесомый свет вскоре обнаружит еще более редкие способности и недюжинную силу, позволяющую ему разрезать молекулы, увлекать за собой электроны, останавливать движение атомов.

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.