Beszélgetés – az 1999. évi Nobel-díj kapcsán – Keszei Ernővel, az ELTE TTK Fizikai Kémiai Tanszékének vezetőjével

Egy közel húszéves hasonlat szerint a kémiai reakciók "lefilmezése" olyan feladat, mint azé a jeleneté, amelyben túl sok szereplő lepi el a színpadot végszó nélkül, hogy azután mindegyikük egyszerre hadarja el a mondókáját.

1999 kémiai Nobel-díjasa, Ahmed Zewail pillanatfelvételeket készít a molekulák gyors – néhányszor 10^–15 másodperces, femtoszekundumos – átalakulásáról. Zewail munkájáról Keszei Ernővel, az ELTE TTK Fizikai Kémiai Tanszékének vezetőjével beszélgettünk (...).

– Ahmed Zewailt valószínűleg csak a szakterület művelõi ismerik. Hogyan ejtik ennek az Amerikában élő, egyiptomi kutatónak a nevét?

– Arabul "zuail"-nak hangzik, az amerikaiak általában "zíveil"-nek mondják, de egyetemi kollégái egészen arabosan ejtik Zewail nevét.

– Tudjuk, hogy a Nobel-díjat a kémiai reakciók átmeneti állapotainak femtoszekundumos spektroszkópiai vizsgálatáért kapta. Miért jelent áttörést ez a módszer?

– A kérdést kétféleképpen lehet érteni. Miért pont a femtoszekundumos tartomány érdekli a kémikust és hogyan végezhetünk ilyen gyors méréseket?

Kezdjük a másodikkal. A femtoszekundumos spektroszkópiában az időmérést távolságmérésre vezetik vissza. A fény a leggyorsabb, tehát távolságméréssel úgy mérik a legrövidebb időtartamokat, ha fényt használnak. Az a legrövidebb távolság, amely mikrométercsavarral pontosan beállítható, körülbelül 0,1 mikrométer; 0,1 mikrométer 0,3 femtoszekundumnak felel meg, mert a fény 0,1 mikrométert 0,3 femtoszekundum alatt tesz meg. Ezt a mechanikai precizitást már a század elején el tudták volna érni. De más is kell a mérésekhez: az, hogy a molekulák vizsgálatára használt fényimpulzus kiterjedése ne legyen nagyobb, mint ez a háromtized femtoszekundum. Illetve, ha femtoszekundumos történéseket akarok mérni, egy femtoszekundumnál ne legyen nagyobb a kiterjedés és így tovább. Ez az, amit nem tudtak korábban megvalósítani.

Shank és Ippen 1985-ben jutott arra az alapvető gondolatra, hogy az impulzusok festéklézerekkel erősíthetők, és bizonyos törésmutató-diszperziókat kihasználva "összenyomhatók", csökkenteni lehet a szélességüket. Az időbeli összenyomáshoz azt használták ki, hogy az idõbeli szélesség és a frekvenciatérbeli szélesség összefügg: ha az impulzus időtartamát szűkítjük, a jel szélesebb frekvenciatartományban jelenik meg. De ez fordítva is igaz. Ezzel a módszerrel elõször körülbelül 500 femtoszekundumos impulzusokat állítottak elő.

– Miért előnyösebb a femtoszekundumos spektroszkópia a piko- vagy nanoszekundumosnál vagy a folytonos fénnyel működő spektroszkópiánál?

– Eyring és Polányi munkájából kiderült, hogy az átmeneti állapotban a konfigurációs térbeli pontnak át kell haladnia egy potenciálfelületen – vagy egyszerûbben: a reagáló molekulának le kell küzdenie egy energiagátat – , és ez a folyamat körülbelül 10^–12 másodpercnyi idő alatt játszódik le. De ilyen gyors reakciókat akkor – az 1930-as években – senki sem tudott követni. Még egyszer mondom, azért, mert rövid időtartamokat tudtak volna mérni, de a jelek roppant szélesek voltak. Eyring és Polányi számításai azt mutatták, hogy a szakadásért felelős rezgések, pédául az OH-rezgések karakterisztikus ideje 10 femtoszekundum. Nyilvánvaló, ha egy nyújtási rezgés mentén egy OH-kötés elszakad, a felszakadás idejének 10 femtoszekundum nagyságrendjébe kell esni. Ezt igazolták Zewailék az elsõ mérésükkel, amelyben a jód-cianidot gerjesztették és mérték a CN–I kötés szakadását. Azt találták, hogy a kötés 200 femtoszekundum alatt szakad szét teljesen.

– A kulcsszó tehát az átmeneti állapot. A rezgések, illetve a rezgések által indukált kémiai reakciók – az elemi események – a femtoszekundumos skálán zajlanak.

– Ugyanaz tartja össze az átmeneti komplexet, mint az egyéb molekulákat, tehát az erőállandók ugyanakkorák, mint a rezgéseknél. Következésképpen a rezgések periódusidejéhez igazodik a kötésszakadás időtartama.
[...]

A beszélgetés folytatása az alábbi link alatt olvasható.