ЛА́ЗЕРНАЯ ХИ́МИЯ

ЛА́ЗЕРНАЯ ХИ́МИЯ, изу­ча­ет из­ме­не­ние со­ста­ва и струк­ту­ры ве­ще­ст­ва в ре­зуль­та­те хи­мич. ре­ак­ций, ини­ции­руе­мых при воз­бу­ж­де­нии ато­мов и мо­ле­кул ве­ще­ст­ва ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем. Ла­зер­ное воз­дей­ст­вие на хи­мич. ре­ак­ции мо­жет быть те­п­ло­вым (ко­гда все ини­ции­руе­мые ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем хи­мич. про­цес­сы про­те­ка­ют в ус­ло­ви­ях, близ­ких к тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сию) или фо­то­хи­ми­че­ским (ко­гда ско­ро­сти хи­мич. про­цес­сов су­ще­ст­вен­но пре­вы­ша­ют ско­рость ус­та­нов­ле­ния тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия в ре­а­ги­рую­щей сис­те­ме). Спе­ци­фич. свой­ст­ва ла­зер­но­го из­лу­че­ния мо­гут ока­зы­вать ре­шаю­щее влия­ние на за­ко­но­мер­но­сти про­те­ка­ния хи­мич. 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 хи­мич. ре­ак­ции, и не за­тра­ги­вать при этом час­ти­цы др. 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 разл. час­ти­ца­ми и да­же с внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ным пе­ре­рас­пре­де­ле­ни­ем энер­гии разл. хи­мич. свя­зей. Вы­со­кая про­стран­ст­вен­ная ко­ге­рент­ность ла­зер­но­го из­лу­че­ния да­ёт воз­мож­ность хо­ро­шей его фо­ку­си­ров­ки, что по­зво­ля­ет про­во­дить хи­мич. ре­ак­ции ло­каль­но, с про­стран­ст­вен­ным раз­ре­ше­ни­ем вплоть до не­сколь­ких де­ся­тых мик­ро­мет­ра. Ис­поль­зо­ва­ние ла­зер­но­го из­лу­че­ния в хи­мии на­ча­лось в сер. 1960-х гг. – по­сле соз­да­ния и рас­про­стра­не­ния ла­зе­ров. Раз­ви­тие Л. х. тес­но свя­за­но с раз­ви­ти­ем ла­зер­ной тех­ни­ки, спек­тро­ско­пии (в т. ч. спек­тро­ско­пии вы­со­ко­воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ний и ки­нетич. спек­тро­ско­пии), хи­мич. ки­не­ти­ки, мо­ле­ку­ляр­ной ди­на­ми­ки. Сло­жи­лось неск. са­мо­сто­ят. на­прав­ле­ний в Л. х. в за­ви­си­мо­сти от со­ста­ва реа­ги­рую­щей сис­те­мы, её фа­зо­во­го со­стоя­ния и па­ра­мет­ров ла­зер­но­го из­лу­че­ния, ис­поль­зуе­мо­го для ини­ции­ро­ва­ния хи­мич. ре­ак­ций.

Лазерная термохимия

изу­ча­ет хи­мич. про­цес­сы (напр., 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 (1–10³ Вт/см²) 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 хи­мич. про­цес­са и та­ким об­ра­зом из­бе­жать не­же­ла­тель­ных ге­те­ро­ген­ных ре­ак­ций на стен­ках ре­ак­то­ра.

Инфракрасная лазерная фотохимия

изу­ча­ет хи­мич. про­цес­сы (напр., 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 фо­то­хи­мич. воз­дей­ст­вии ла­зер­но­го из­лу­че­ния как про­цесс воз­бу­ж­де­ния, так и по­сле­дую­щие хи­мич. ре­ак­ции (напр., дис­со­циа­ция) идут в не­рав­но­вес­ных ус­ло­ви­ях. Обыч­но вы­би­ра­ет­ся боль­шая ин­тен­сив­ность (10⁵–10⁷ Вт/см²) и ма­лая дли­тель­ность им­пуль­са ла­зер­но­го из­лу­че­ния ( < 10^–6 c), 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 др. мо­ле­ку­ла­ми. Про­цесс мно­го­фо­тон­ной ИК-фо­то­дис­со­циа­ции мо­ле­кул мо­жет быть изо­то­пи­че­ски се­лек­тив­ным, что ле­жит в ос­но­ве совр. тех­но­ло­гий раз­де­ле­ния изо­то­пов.

Лазерная фотохимия

изу­ча­ет хи­мич. про­цес­сы (напр., фо­то­дис­со­циа­цию мо­ле­кул), ко­то­рые име­ют ме­сто при воз­бу­ж­де­нии мо­ле­кул ве­ще­ст­ва в разл. 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 хи­мич. про­цес­сов в фем­то­се­кунд­ном вре­меннóм 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. Осн. на­прав­ле­ния ла­зер­ной фем­то­хи­мии – изу­че­ние в ре­аль­ном вре­ме­ни де­таль­ных мик­ро­ско­пич. хи­мич. про­цес­сов и управ­ле­ние ими в фем­то­се­кунд­ном вре­мен­нóм диа­па­зо­не. За раз­ра­бот­ку ме­то­дов ана­ли­за эле­мен­тар­ных ре­ак­ций с по­мо­щью по­сле­до­ва­тель­но­сти ла­зер­ных им­пуль­сов фем­то­се­кунд­ной дли­тель­но­сти А. Зи­вейл удо­сто­ен Но­бе­лев­ской пр. (1999). 

При­клад­ное зна­че­ние Л. х. свя­за­но с ис­поль­зо­ва­ни­ем ла­зер­но­го из­лу­че­ния в про­цес­сах раз­де­ле­ния изо­то­пов, син­те­за осо­бо чис­тых ве­ществ (в т. ч. 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, вы­со­ко­чув­ст­вит. ана­ли­за со­ста­ва ве­ще­ст­ва и пр.