分子内の原子運動の可視化
計測技術やレーザー技術等の発展により近年では、化学反応中の分子構造の変化を実時間で追跡することが可能となりつつあります。そうした分子内の原子位置の時間変化からは原子が動く速度を知ることができ、反応が「どのように」進むかを直感的に与えてくれます。一方、分子内の原子の速度分布（運動量分布）を観測する事ができたら、何が分かるでしょうか。分子内の原子運動量の時間変化からは、その原子に働く力を知ることができるため、反応が「なぜ」進むかを理解できるようになると期待されます。
こうした観点から私たちは、反応中の分子内の原子の運動量分布を実時間追跡する新規分光法の開発を試みています。そのためにまず、高速電子の（準）弾性後方散乱を利用して安定分子内の原子の運動量分布を探る手法、すなわち分子内の「原子のスピードガン」の開発を進めています。現在までに、従来と比べて信号強度を約3桁近くにまで向上させ、単純な二原子分子内の原子の運動量分布を実験室系で抽出することに成功しました。実験データの詳細な解析から、実験結果は分子振動に起因した運動量分布が支配的であり、よって本手法は、運動量空間における振動波動関数形状を原子ごとに観測するユニークな特質を持つことが実証されました。私たちは、この「原子のスピードガン」を極短パルスレーザーと組み合わせ、原子の運動量分布が反応中に時々刻々と変化する様子を捉え、原子ごとにどのような力が働いて反応を進行させているかを明らかにすることを目指します。
基底状態の水素分子内の水素原子に対して得た実験結果は、調和振動子の運動量空間波動関数の二乗振幅（運動量密度）を空間平均した理論予測とぴったり一致する。本手法をさらに発展させることで、原子運動量の時間変化から反応中に各原子に働く力の情報が得られると期待される。
■References
- Y. Tachibana, M. Yamazaki, and M. Takahashi, “Direct observation of intramolecular
atomic motion in H2 and D2 by using electron-atom Compton scattering”
Phys. Rev. A 100, 032506 (2019). - M. Yamazaki, Y. Tachibana,, and M. Takahashi, “Influence of translational
motion of rare gas atoms on electron-atom Compton scattering”
J. Phys. B 52, 065205 (2019). - M. Yamazaki, M. Hosono, Y. Tang, and M. Takahashi, “Development of multi-channel
apparatus for electron-atom Compton scattering to study the momentum distribution
of atoms in a molecule”
Rev. Sci. Instrum. 88, 063103 (2017).