Лекция 3. От кинетики к динамике

Очевидно единство этих двух наук и их взаимная дополнительность: кинетика отвечает на вопрос, каков механизм реакции, в каких комбинациях молекулы реагентов вступают в реакцию, какие промежуточные частицы возникают на пути к продуктам и в какой последовательности они реагируют; динамика сообщает, как движутся атомы на поверхности потенциальной энергии, как осуществляется перегруппировка атомов в момент рождения новых молекул из реагентов. Путь от кинетики к динамике был непрост; он занял почти все ушедшее столетие. Таблица показывает как совершалась эволюция химической кинетики в химическую динамику. Ведущим началом в этой эволюции были экспериментальные методы измерения скоростей реакций, их быстродействие.

Таблица. Химическая кинетика и химическая динамика: иерархия времён

	, сек	Техника
КИНЕТИКА	105 – 102 102 – 10-2 10-2 – 10-4 10-4 – 10-8 10-8 – 10-11	Контроль проб Струя Остановленная струя Молекулярные пучки лазерные технологии
ДИНАМИКА	10-12– 10-15	Современные лазеры

Сначала разрабатывались простые, наивные методы (типа отбора и контроля проб); они годились лишь для "неторопливых" реакций, происходящих за часы или, в лучшем случае, за минуты (10⁵–10²с). Для быстрых реакций (10²–10^-4 с) позднее были созданы методы быстрого турбулентного смешения потоков реагентов (в газе или в жидкости). Дальнейшее продвижение в область быстрых реакций (с временами 10^-4 –10^-11 с) связано с созданием новых технологий химического эксперимента – молекулярные пучки и импульсные лазерные технологии. Они породили новую крупнуюобласть–экспериментальную физику химических реакций, включающую методы инфракрасной и оптической хемилюминесценции, когерентного возбуждения, лазерно-индуцированной флуоресценции, время-пролетной масс-спектрометрии и Допплер-эффекта, резонансно-усиленной многофотонной ионизации, когерентного рамановского рассеяния, спектроскопии нулевой кинетической энергии, и др. Эти методы открыли огромные возможности в приготовлении реагентов в заданных состояниях с точной и контролируемой энергией колебаний и вращений, с заданной cкоростью и электронной энергией, с заданной ориентацией и угловым моментом.

Был создан метод молекулярных потоков (молекулярных пучков), когда каждый из реагентов готовится в виде молекулярного пучка, вылетающего из узкого отверстия; далее пучки двух реагентов направляются друг на друга под заданным углом (скрещенные молекулярные пучки) и в столкновениях молекул- партнёров рождаются молекулы-продукты. При этом реагенты готовятся в заданном состоянии (с известной скоростью и энергией вращения и колебания, с нужной ориентацией, угловым моментом и электронной энергией), а для молекул-продуктов, образовавшихся при встречах реагентов в скрещении молекулярных пучков, измеряется скорость, энергия вращений и колебаний, ориентация, угол рассеяния и др.). Фактически методыскрещенных пучков дают полную характеристику и реагентов, и продуктов.

Главное достоинство этих технологий даже не в том, что они вплотную придвинулись к коротким временам контакта реагентов, а в том, что они "работают" с молекулами как с квантовыми объектами, строго задавая квантовые состояния реагентов и фиксируя квантовые состояния продуктов. И все-таки даже эти блестящие, элитарные технологии остаются кинетическими: они говорят всё о реагентах и о продуктах, но ничего не сообщают о главном событии - как произошло преобразование реагентов в продукты; это ещё не химическая динамика.