Лазерная химия с чем ее едят? Лазерная химия Лазерная химия

ЛАЗЕРНАЯ ХИМИЯ, изучает изменение состава и структуры вещества в результате химических реакций, инициируемых при возбуждении атомов и молекул вещества лазерным излучением. Лазерное воздействие на химические реакции может быть тепловым (когда все инициируемые лазерным излучением химические процессы протекают в условиях, близких к термодинамическому равновесию) или фотохимическим (когда скорости химических процессов существенно превышают скорость установления термодинамического равновесия в реагирующей системе). Специфические свойства лазерного излучения могут оказывать решающее влияние на закономерности протекания химических процессов во всех фазовых состояниях вещества. Так, высокая монохроматичность и возможность плавной перестройки длины волны лазерного излучения позволяют избирательно возбуждать (активировать) частицы (атомы и молекулы) одного вида, вовлекая их в химические реакции, и не затрагивать при этом частицы других видов. Такая межмолекулярная селективность лазерного возбуждения ограничена лишь степенью перекрывания соответствующих полос в спектре поглощения вещества. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет получить высокие концентрации активированных частиц и свободных радикалов в смеси, что обеспечивает высокий выход конечного продукта и возможность изменения каналов протекания реакции. Использование импульсов лазерного излучения малой длительности позволяет снять ограничение селективности, связанное с обменом энергией между различными частицами и даже с внутримолекулярным перераспределением энергии различных химических связей. Высокая пространственная когерентность лазерного излучения даёт возможность хорошей его фокусировки, что позволяет проводить химические реакции локально, с пространственным разрешением вплоть до нескольких десятых микрометра. Использование лазерного излучения в химии началось в середине 1960-х годах - после создания и распространения лазеров. Развитие лазерной химии тесно связано с развитием лазерной техники, спектроскопии (в том числе спектроскопии высоковозбуждённых состояний и кинетической спектроскопии), химической кинетики, молекулярной динамики. Сложилось несколько самостоятельных направлений в лазерной химии в зависимости от состава реагирующей системы, её фазового состояния и параметров лазерного излучения, используемого для инициирования химических реакций.

Лазерная термохимия изучает химические процессы (например, пиролиз), в которых осуществляется нагрев среды лазерным излучением и вводимая в систему энергия распределяется равномерно по всем степеням свободы реагирующих молекул. Такие процессы реализуются при воздействии ИК лазерного излучения умеренной интенсивности (1-10 3 Вт/см 2) на молекулярные газы при давлениях выше 10-100 Торр, а также при воздействии лазерного излучения умеренной интенсивности на вещества в жидкой и твёрдой фазах, на гетерогенные системы. Лазерный нагрев имеет точную пространственную локализацию, поскольку энергия излучения направляется в нужное место реакционной системы с высокой скоростью. Кроме того, лазерный нагрев позволяет обеспечить гомогенность химического процесса и таким образом избежать нежелательных гетерогенных реакций на стенках реактора.

Инфракрасная лазерная фотохимия изучает химические процессы (например, диссоциацию или изомеризацию молекул), которые имеют место при многофотонном возбуждении высших колебательных состояний многоатомных молекул мощным импульсным лазерным излучением ближнего и среднего ИК-диапазона (длина волны 2,5-16 мкм), где расположены колебательные полосы поглощения молекул. При фотохимическом воздействии лазерного излучения, как процесс возбуждения, так и последующие химические реакции (например, диссоциация) идут в неравновесных условиях. Обычно выбирается большая интенсивность (10 5 -10 7 Вт/см 2) и малая длительность импульса лазерного излучения (< 10 -6 с), а также низкое парциальное давление возбуждаемого молекулярного газа (< 1 Торр). Такие условия обусловливают высокую межмолекулярную селективность мономолекулярного процесса диссоциации определённых молекул, находящихся в смеси с другими молекулами. Процесс многофотонной ИК-фотодиссоциации молекул может быть изотопически селективным, что лежит в основе современных технологий разделения изотопов.

Лазерная фотохимия изучает химическая процессы (например, фотодиссоциацию молекул), которые имеют место при возбуждении молекул вещества в различных фазовых состояниях лазерным излучением видимого и УФ-диапазона. Воздействие излучения в этом диапазоне менее специфично, чем в ИК-области. Тем не менее, благодаря большой интенсивности такое излучение используется для возбуждения высших электронных уровней энергии и даже ионизации молекул в результате поглощения нескольких фотонов (нелинейная лазерная фотохимия).

Лазерная фемтохимия исследует кинетику элементарных химических процессов в фемтосекундном временном диапазоне, инициируемых излучением фемтосекундных лазеров (10 -15 -10 -14 с). Для многих молекул эти времена меньше периода колебаний атомов, что позволяет образовывать когерентные колебательно-вращательные волновые пакеты, легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, изменять поверхность потенциальной энергии. Основные направления лазерной фемтохимии - изучение в реальном времени детальных микроскопических химических процессов и управление ими в фемтосекундном временном диапазоне. За разработку методов анализа элементарных реакций с помощью последовательности лазерных импульсов фемтосекундной длительности А. Зивейл удостоен Нобелевской премии (1999).

Прикладное значение лазерной химии связано с использованием лазерного излучения в процессах разделения изотопов, синтеза особо чистых веществ (в том числе для микроэлектроники), для проведения высокоселективных реакций, очистки веществ от примесей, нанесения покрытий на подложки и синтеза полимерных плёнок при создании материалов с заданными свойствами, экспонирования фоторезистов в установках УФ лазерной фотолитографии, высокочувствительного анализа состава вещества и пр.

Лит.: Баграташвили В. Н., Летохов В. С., Макаров А. А., Рябов Е. А. Многофотонные процессы в молекулах в инфракрасном лазерном поле. М., 1981; Летохов В. С. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах. М., 1983; Карлов Н. В., Кириченко Н. А., Лукьянчук Б. С. Лазерная термохимия: основы и применения. М., 1995; Саркисов О. М., Уманский С. Я. Фемтохимия // Успехи химии. 2001. Т. 70. № 6.

В. Н. Баграташвили.

Изучает хим. процессы, стимулируемые лазерным излучением, в к-рых решающую роль играют специфич. св-ва лазерного излучения. Так, высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет селективно возбуждать молекулы одного вида, при этом молекулы др. видов остаются невозбужденными. При этом селективность возбуждения ограничена лишь степенью перекрывания полос в спектре поглощения в-ва. Подбирая частоту возбуждения, удается не только осуществлять избират. активацию молекул, но и менять глубину проникновения излучения в зону р-ции. Использование импульсов излучения малой длительности позволяет в принципе снять ограничение селективности, связанное с обменом энергией между разл. молекулами или между разл. хим. связями в одной молекуле. Большая интенсивность лазерного излучения дает возможность получать возбужденные молекулы или радикалы в высоких концентрациях. Наконец, возможность фокусировки лазерного излучения позволяет вводить энергию локально, в определенную область объема, занимаемого реагирующей смесью. Лазерное воздействие на хим. р-ции м. б. тепловым и фотохимическим. При тепловом воздействии реагирующая смесь только нагревается, энергия распределяется равномерно по всем степеням свободы реагирующих молекул. Преимущество лазерного нагрева - возможность вводить энергию в нужное место реакц. объема и за очень короткое время, а также избегать нежелат. контакта реагентов с нагреваемой поверхностью реактора. Локальный нагрев реагентов при этом может достигать тысяч градусов, что крайне трудно при др. способах нагрева. Хим. реакция часто представляет собой нелинейный процесс, имеющий сложное пространственно-временное поведение и описываемый нелинейными дифференциальными ур-ниями с бифуркационными параметрами. Таким параметром м. б. т-ра или параметр, характеризующий распределение тепла в реагирующем объеме. Воздействие лазерного излучения на реагирующую смесь вблизи точек бифуркации позволяет резко изменять режим теплового хим. процесса при малых затратах лазерной энергии (см. Неравновесная химическая кинетика ). Фотохим. воздействие лазерного излучения дает возможность достигать концентраций возбужденных молекул или радикалов, намного превышающих равновесное значение при данной т-ре. Из-за большой интенсивности излучения осуществляется многоквантовое возбуждение, при к-ром в одном элементарном акте возбуждения поглощается одновременно неск. квантов излучения (см. Многофотонные процессы ). Т. обр., можно получать молекулы в высоковозбужденных состояниях с помощью широко доступных лазеров видимого и ближнего УФ диапазонов и повысить избирательность возбуждения, т. к. в далеком УФ диапазоне полосы поглощения мн. молекул сильно перекрываются. Hаиб. специфично фотохим. действие лазерного излучения в ИК области, поскольку создать в этой области длин волн источники некогерентного излучения, сравнимые по мощности с лазерами и позволяющие осуществлять фотолиз, практически невозможно. Под действием лазерного ИК излучения стимулирование хим. процессов в газах происходит путем резонансного возбуждения колебат. степеней свободы молекул. Подбором условий (давление газа, интенсивность и частота лазерного излучения) удается достичь высокой сверхравновесной концентрации колебательно возбужденных молекул и осуществить их диссоциацию (фрагментацию). Достаточно коротким (][[К:Википедия:Страницы на КУЛ (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]]Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. Лазерная химия Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. Лазерная химия Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. Лазерная химия

Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые , подтверждающие написанное .[[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]][[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]]

Проставить для статьи более точные категории .

Отрывок, характеризующий Лазерная химия

– А может здесь тоже был тот злой человек? – испуганно спросила Мария.
Честно признаться, у меня тоже мелькнула такая мысль, но высказать её я не успела по той простой причине, что, ведя за собой троих малышей, появился Светило... Детишки были чем-то смертельно напуганы и, трясясь как осенние листики, боязливо жались к Светилу, боясь от него отойти хоть на шаг. Но детское любопытство вскоре явно пересилило страх, и, выглядывая из-за широкой спины своего защитника, они удивлённо рассматривали нашу необычную тройку... Что же касалось нас, то мы, забыв даже поздороваться, вероятно, с ещё большим любопытством уставились на малышей, пытаясь сообразить, откуда они могли взяться в «нижнем астрале», и что же всё-таки такое здесь произошло...
– Здравствуйте, милые... Не надо вам было сюда приходить. Что-то нехорошее здесь происходит... – ласково поздоровался Светило.
– Ну, хорошего здесь вряд ли можно было бы ожидать вообще... – грустно усмехнувшись, прокомментировала Стелла. – А как же получилось, что ты ушёл?!... Ведь сюда любой «плохой» мог за это время явиться, и занять всё это...
– Что ж, тогда ты бы обратно всё «свернула»... – просто ответил Светило.
Тут уж мы обе на него удивлённо уставились – это было самое подходящее слово, которое можно было употребить, называя данный процесс. Но откуда его мог знать Светило?!. Он ведь ничего в этом не понимал!.. Или понимал, но ничего об этом не говорил?...