科学家首次实时拍摄化学键断裂时电子的运动图像

通过结合高速电子脉冲与新型分析工具，科学家首次实现了对电子和原子运动的实时成像。

化学教科书常聚焦反应的起始与终结，却鲜少揭示其间发生的过程。观察这些隐藏的瞬间至关重要，因为化学本质上受量子规律支配。通过实时捕捉电子与原子核如何协同运动，科学家终能验证量子理论是否真正描述了化学反应，并揭示仅在化学键形成与断裂时才显现的效应。

然而，直接观测这些过程曾被视为不可能——因为电子转移与原子重排发生在超快时间尺度上。如今，上海交通大学的研究团队在这一领域迈出了重要一步。

利用先进的超快电子衍射技术，研究人员成功对分子分解过程中电子与原子核在真实空间内的运动进行了成像。研究资深作者向遥（音译）表示："研究电子动力学对基础物理的推进以及在材料与化学科学中的应用研究具有重大意义。"

追踪运动中的电子与原子

传统衍射技术擅长追踪较重的原子核，却难以探测电子密度的细微变化。因此，科学家以往只能观测原子运动，而无法看清驱动这些运动的电子。

该研究团队通过将超快电子衍射（UED）的空间与时间精度提升至前所未有的水平，突破了这一局限。实验中，他们以氨分子（NH₃）为研究对象——这种简单分子仍包含丰富的电子动力学过程。

首先，研究人员使用波长约200纳米的短激光脉冲激发氨分子。这一"泵浦"脉冲将氮原子上孤对电子轨道中的一个电子，激发至与氮氢键相关的反键轨道。向遥解释说："泵浦脉冲触发后，氮原子孤对电子轨道中的电子被激发至N-H反键σ轨道，引发氨分子的伞形振动及N-H键解离。"

为追踪后续过程，团队向受激分子发射了一束超快高能（MeV级）电子脉冲。当这些"探测"电子穿过样品时，它们受到原子核及周围电子所产生电场的散射。探测器记录的衍射图案中，隐藏着分子内部电荷随时间变化的分布信息。

解码探测信号

该研究的重要亮点在于信号分析方法。团队采用了"电荷对分布函数"分析技术。向遥指出："我们对实验衍射强度进行CPDF分析，得以同时成像价电子与氢原子的动力学过程。"

CPDF使他们能同时分离并可视化三类相互作用：原子核-原子核、电子-原子核以及电子-电子关联。由此，研究团队得以同步绘制价电子转移与氢原子运动的轨迹。得益于装置的高灵敏度与信号质量，他们甚至成功追踪了氢原子的运动——这曾是公认的难题，因为氢对电子的散射极弱且运动速度极快。

最终，研究获得了氨分子光解离过程中电子轨道变化、电子密度演化及原子响应的实时实空间图像——这是以往任何技术都无法实现的突破。

挖掘UED技术潜力

这项工作标志着化学与物理领域的重要进展。研究通过证明UED可直接探测价电子重排，突破了将原子视为独立静态散射体的传统模型局限，揭示了实际主导化学反应的电子活动。长远来看，该技术将深化人们对反应机理、能量转移及分子量子效应的理解。

向遥补充道："我们的分析成功揭示了UED信号中丰富的电子动力学信息，包括电子轨道跃迁、电子密度演化动力学及电子-电子关联。"

当然，该技术仍有局限。例如电子信号非常微弱，易被较重原子的散射信号掩盖。下一步，研究团队将优化方法并将其拓展至其他体系。向遥总结道："我们将把该方法推广至更多分子体系，证明电子衍射技术即使在复杂有机分子中也能探测价电子重排的特征信号。"

该研究已发表于《物理评论快报》期刊。

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