Рентгеновские ножницы

​Ученые из России, Китая и Германии смогли предсказать новое физическое явление — диссоциацию молекул при ионизации с помощью жесткого рентгеновского излучения. Статья опубликована в журнале Physical Review A.

В физике очень часто можно увидеть проявление эффекта отдачи. Самая простая его аналогия — откат пушки при выстреле. Этот эффект является следствием фундаментального закона сохранения импульса. Он проявляется в виде эффекта Комптона (рассеяния фотонов на электронах), эффекта Мессбауэра (поглощении гамма-кванта ядром атома без сообщения ему скорости) и используется при лазерном охлаждении атомов и молекул.

Ученые из Сибирского федерального университета и Института физики КНЦ СО РАН совместно с зарубежными коллегами в новой работе исследовали эффект отдачи, который наблюдается вследствие вылета из молекулы электрона под действием рентгеновского излучения. При умеренных энергиях фотонов эффект отдачи объясняется обменом импульса между атомом и вылетевшим из него электроном. В зависимости от направления, в котором вылетает электрон, передача его импульса атому приводит к возбуждению в молекуле колебаний и вращений. Оба этих эффекта ученым удалось наблюдать экспериментально с использованием синхротронного излучения.

Проведенные учеными квантовые расчеты показали, что при увеличении энергии кванта рентгеновского излучения достигаются колебательно-вращательные состояния, энергия которых практически равна энергии диссоциации — распада молекулы на ионы. При увеличении этого показателя химическая связь разрывается и молекула разрушается. Ученые показали, что при воздействии жесткого рентгеновского излучения с энергией более 5 кэВ подобный разрыв связи можно наблюдать для молекулы водорода.

Выяснилось также, что в области жесткого рентгеновского излучения импульс фотона становится сравнимым с импульсом фотоэлектрона. Это означает, что для описания физики этого явления нужно учесть даже импульс фотона, применяя релятивистские законы. Более того, вращательные и поступательные степени свободы становятся сильно перепутанными, из-за чего для их описания нельзя использовать стандартную теорию возмущений.

Согласно анализу, уже проведенному в работе, исследованный эффект может быть экспериментально проверен для целого ряда молекул в кластерах инертных газов и молекул, адсорбированных на поверхности. Результаты работы найдут применение для планирования экспериментов, например, на будущем синхротроне «СКИФ» в Новосибирске и для изучения процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы, где интенсивность жесткого рентгеновского излучения достаточно высока.

Никита Шевцев