第一次看到了分子吸收光线时的变化

科学家们第一次能够看到分子的电子云是如何对光作出反应而膨胀的。这是分子中原子核运动的前奏，可以导致键的形成和断裂。如此详细地研究化学的内部工作原理，为理解和控制化学反应开辟了新的可能性。

光和分子之间的相互作用在光合作用和视觉等过程中起着至关重要的作用。当一个分子从光中吸收能量时，第一步是电子的重排。这种电子密度的变化决定了接下来所有的步骤，并决定了反应如何进行，所以描述最初激发的电子状态是很重要的。到目前为止，这只是间接地完成，使用光谱技术结合量子力学计算。

现在，电子排列的变化1, 3-cyclohexadiene在光激发下，使用超快x射线散射直接成像。“我们已经能够捕捉到这第一个基本步骤，通过记录分子吸收光子后立即围绕分子的电子云的形状，”解释说亚当Kirrander英国爱丁堡大学教授。“一旦电子改变了位置，作用在原子核上的力就会改变，从而导致原子运动和化学键断裂和合成等化学过程。”

1,3-环己二烯是许多重要反应的模型分子，已被广泛研究，但之前的散射研究主要集中在原子核的运动上，指出彼得•韦伯美国布朗大学教授。他说:“通过改进实验装置和程序，我们现在能够观察到光对电子密度的影响。”“一个重要的方面是，我们选择将分子激发到原子运动很小的状态，这样信号就会被电子的影响所主导。”

完美的照片

研究人员使用了线性相干光源(LCLS)斯坦福线性加速器中心(SLAC)的x射线自由电子激光器(XFEL)，它可以提供超短脉冲——大约25飞秒长——每个脉冲包含超过一万亿x射线光子。研究小组将少量1,3-环己二烯气体暴露在短紫外光脉冲下以激发分子。然后，一个非常短而强烈的x射线脉冲被发射到样品上，产生x射线散射图像，并记录下来。“为了提高信号水平，实验重复了很多次，”韦伯解释道。“通过调整紫外激光脉冲和x射线探测器脉冲之间的时间延迟，我们可以对信号进行时间排序。”

Kirrander补充说，他们战略性地选择了一个电子结构变化很大的系统。“由于激发态是短暂的，所以在原子开始离开初始位置之前，必须有非常短的脉冲来捕捉电子结构的变化。他相信，随着进一步的改进，有朝一日有可能在复杂的化学反应中同时捕捉电子结构和原子位置的变化。

斯蒂芬·里昂没有参与这项研究的美国加州大学伯克利分校的一位教授指出，大多数x射线源都非常微弱，无法进行这种类型的实验。“作者已经证明，他们可以在很短的时间尺度上激发分子中的新电子态，并通过x射线衍射散射观察到，在分子几何形状发生变化之前，新轨道已经形成。”

韦伯指出，这种方法可以扩展到任何分子系统。“其中一个挑战可能是，当电子密度分布发生变化时，原子同时移动。在这种情况下，我们可能仍需要提高信号水平。“最近在加州LCLS-II和新的欧洲XFEL汉堡相信在不久的将来，这样的研究可以在更广泛的分子系统上进行。”