Колебания молекул влияют на результаты экспериментов
Ученые могут получить много информации о молекулах и их окружающей среде при помощи измерения спектра электронов, испускаемых веществом в ответ на облучение рентгеновскими лучами. С существующими на сегодняшний день оборудованием и методиками, эксперименты позволяют подойти близко к точнейшему измерению особенностей электронного спектра. Но в своей последней работе команда ученых из США показала, что улучшение точности измерений сталкивают нас с эффектом, который ранее мог быть просто проигнорирован. Согласно этому эффекту, вращение молекул газа может существенно влиять на получаемый спектр. По мнению исследователей, это влияние имеет «доплеровский характер», хотя и далеко от обычного определения эффекта Доплера. Опубликованная работа может дать новые ограничения для наиболее точных инструментов.
Электроны, «выбитые» из атомов внутри молекул рентгеновским излучением, позволяют получить информацию о строении молекулы, а также об их движении после потери электрона. К примеру, ширина спектральной полосы такого электронного излучения говорит о том, как много времени потребовалось молекуле для «пересборки». Таким образом, точное определение ширины спектральных полос важно, особенно в ракурсе появления последнего поколения синхротронов, повысивших точность фотоэлектронных измерений.
В газах для спектра электронного излучения характерен один важный эффект. Если молекула движется в направлении к или от источника рентгеновского излучения, влияние эффекта Доплера снижает или, соответственно, повышает частоту фотона, т.е. незначительно изменяет энергию испускаемого электрона. А поскольку различные молекулы движутся с разной скоростью, эффект превращает узкую спектральную полосу в относительно широкий пик. Это так называемое доплеровское ограничение для разрешения рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.
Теперь же группа ученых из Oregon State University (США), а также их коллеги из других стран мира, показали, что тепловые вращения молекулы оказывают на результаты эксперимента еще большее влияние.
Если, например, молекула, имеющая форму гантели, колеблется, и один из ее атомов испускает электрон в направлении своего движения, он будет иметь большую энергию в сравнении с электроном, выпущенным в противоположную сторону. Комбинация различных вращений и направлений испускания электрона размывают пик на спектре, также как описанный выше эффект Доплера. Некоторые ученые предлагают использовать для этого эффекта термин «вращательное доплеровское уширение» (несмотря на то, что по факту он не связан ни с какими частотными сдвигами).
Для многих существование подобного явления было очевидно, но потребовалось время для того, чтобы провести эксперименты и более детально их проанализировать. Команда облучала рентгеновским излучением молекулы N2 и измеряла зависимость ширины спектрального пика от температуры при различных условиях. Эти данные впоследствии сравнивались с аналогичной зависимостью для криптона, состоящего из атомов, а не молекул (и не имеющего подобного эффекта). Обнаруженные уширения полностью соответствовали ранним количественным предсказаниям, рассчитанным на базе предложенной математической модели.
Опубликованная в журнале Physical Review Letters работа имеет большое значение, в первую очередь для тех, кто занимался разработкой систем, блокирующих «обычное» доплеровское уширение спектральных линий. Проведенный эксперимент показал, что подобные разработки не имеют смысла.
