Карты скоростей⁠⁠

Сегодня я расскажу вам о методе измерения карт скоростей фотофрагментов (velocity map imaging) и о том, как он работает и для чего нужен. Не просто так ведь постить красивые картинки. Погнали.

Для простоты рассмотрим двухатомную молекулу. Что будет с молекулой если ее возбудить квантом света? Она перейдет в возбужденное состояние. Что будет если энергия кванта окажется больше энергии связи? Молекула развалится на атомы. А куда денется та энергия, которая осталась от кванта света после разрыва связи? А она пойдет на кинетическую энергию образующихся атомов (какая часть достанется какому атому можно посчитать, используя закон сохранения импульса, в случае, когда атомы одинаковые – каждому 1/2).

А теперь усложним задачу. Теперь наши атомы могут быть возбуждены в некие состояния внутри себя, т.е. находиться не в основном электронном состоянии. Что это значит для нас? Это значит, что, когда мы возбуждаем молекулы квантами с энергией значительно больше энергии связи, мы можем получить не только атомы в основном состоянии, но и в возбужденном. Ну и этом случае кинетическая энергия атомов будет ниже, поскольку часть энергии фотона потратилась на возбуждение атома/атомов.

Вы скажете: ах вот было бы здорово узнать, что же случилось с молекулой, в каких состояниях образуются атомы. Так вот, на этот случай, Андре Эппинк и Дэвид Паркер еще в 1997 году изобрели метод измерения карт скоростей фотофрагментов. А вот как работает метод уже на примере моей установки. Вот, кстати и я

Вот что внутри этой штуковины:

С откачкой все понятно, чтобы атомы летали нужно свободное пространство. Слева у нас газ вытекает через сопло в откачанный объем – образуется молекулярный пучок. Когда газ вытекает в вакуум, он расширяется и при этом охлаждается. Поэтому, внутри пучка холодно – единицы Кельвин. Это означает что молекулы внутри молекулярного пучка почти не движутся относительно друг друга. Дальше мы возбуждаем молекулы в молекулярном пучке лазером. Фотоны лазерного излучения возбуждает молекулы выше порога диссоциации – образуются атомы. Этот же лазер ионизует атомы – получаются ионы с той-же массой и кинетической энергией что и исходные атомы. А дальне происходит то, что называется измерение карт скоростей. Как мы помним, мы хотим измерить кинетическую энергию. Кинетическая энергия, для тех, кто прогуливал физику в школе, равна (масса*скорость^2)/2. То есть из скорости можно посчитать энергию. Так вот. Наши ионы образовались в пространстве, где есть электрическое поле, создаваемое электродами. Это поле толкает ионы в сторону детектора. Ионы, у которых нет исходной кинетической энергии прилетят ровно в центр детектора. А вот те, у которых она есть, прилетают на детектор на расстоянии от центра, пропорциональное их исходной скорости. (Вообще говоря, проекции их скорости на плоскость детектора). Ионы вызывают свечение детектора в точке прилета, видеокамера снимает много-много ионов, результат – у нас есть карта скоростей как в правом нижнем углу. Карту скоростей мы пересчитываем в распределение по энергиям и сидим думаем о сложности жизни.

Вот вам еще примеров карт скоростей:

Естественно, цвета искусственные, они нужны чтобы лучше видеть количество ионов в разных точках. Внимательный читатель спросит «какого хрена эти обручи на картах скоростей ярче то вверх/вниз то вправо/влево?» Отвечаю: излучение лазера, которым светили на молекулы имеет вертикальную поляризацию. Иногда молекула поглощает свет лучше будучи параллельной поляризации. Соответственно молекул, которые по полю возбудиться больше, они сгенерируют больше атомов в этом направлении. А иногда наоборот.

Отчасти красота карт скоростей самих по себе так привлекла меня работать в этой лаборатории. Это и на самом деле это довольно крутой метод исследования фотопроцессов в молекулах и всяких других штуках.

ЗЫ: Установку на фото я запилил сам в 2013-2015, это вторая установка по измерению карт скоростей в России. Первая тоже в нашей лаборатории, но ее построили до меня. Все карты скоростей из поста мои.