Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых составляет менее 1 пс. Такие лазеры, несомненно, по­зволят определить механизм физических, химических и биоло­гических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой ско­ростью.

Трудно перечислить все области применения лазеров для ис­следования многообразных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффек­тивно использовать солнечную энергию; с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изото-пов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии лазеры дают возмож­ность изучать живые организмы на клеточном уровне. Весьма многообразны применения лазеров в химической кинетике при исследовании различных процессов, длительность которых со­ставляет от 10-6 до 10-12 и менее секунд.

Возможности естественно-научных исследований расширя­ются с применением лазеров на свободных электронах. Принцип действия таких лазеров основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в перио­дически изменяющемся магнитном поле в направлении движе­ния электронов возникает излучение света. Эксперимент пока­зывает, что лазеры на свободных электронах отличаются высо­кой эффективностью перестройки длины волны при большой мощности излучения в широком диапазоне — от микроволно­вого излучения до вакуумного ультрафиолета.

Синхротронные источники излучения.

Синхротроны применя­ются не только в физике высоких энергий для исследования ме­ханизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генера­ции мощного синхротронного излучения с перестраиваемом длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры твердых тел определение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических соединений — успешному решению этих^и других задач способствует синхротронное излучение.

Экспериментальные методы расшифровки сложных структур.

Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять химическими процессами и затем определять состав и структуру продуктов реакций. Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярн дом уровне — ядерный магнитный резонанс, оптическая спек­троскопия, масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т.п. — позволяют исследовать состав и струк­туру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например, химической природы жизненно важных биологиче­ских процессов.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на ана­лизе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внеш­ним магнитным полем. Это один из важнейших методов в раз­ных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т.п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, хи­мическое окружение атомов водорода даже в таких сложных мо­лекулах, как сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроско­пии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнит­ного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, ос­нованный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного опреде­ления состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр ин­терпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относи­тельной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра.

С применением лазерного источника излучения и персо­нального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнару­жить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.

С помощью метода индуцированной лазерной флуоресцен­ции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале пре­вращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим по­лем. Масса частиц может быть определена двумя способами:

измерением радиуса кривизны траектории иона и измepeниeм времени пролета им заданного расстояния.

Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить, например, три атома изотопа 14С среди 1016 атомов 12С. Такое содержание изотопа 14С соответствует, coгласно радиоизотопному методу определения возраста пород возрасту в 70000 лет. Масс-спектрометрия широко применяется для анализа элементов, определения изотопного состава 1 строения молекулы в таких областях, как производство интеа гральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтическая и атомная промышленность.

Комбинированные приборы — хромато-масс-спектрометры позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации од ного из самых ядовитых веществ — изомеров диоксина.

Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром - лучший аналитический прибор для работы со сложными смеся ми, позволяющий решать разнообразные задачи химии, биола гаи, геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть до недавнего времени применение такого прибора orpaничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С разработкой способов десорбции ионов из твердых образцов путем бомбардировки их ионами, фотонами или нейтральными частицами границы применения масс-спекгроскопии значительно pacширились. Существенно увеличились предельные молекулярны массы соединений, исследуемых методом масс-спектроскопив Например, плазменная десорбция с применением бомбарди ровки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила получить ионы с молекулярной массой 23000 и про извести их масс-спектральный анализ. С помощью полевой и лазерной десорбции можно получить масс-спектральные харак теристики фрагментов ДНК. Для идентификации неизвестног вещества методом масс-спекгроскопии достаточно всего 10-10 соединения. В плазме крови масс-спектрометр регистрирует ак тивное вещество марихуаны в концентрации 0,1 мг на кило грамм массы тела.

Современные электрохимические методы в сочетании с вы сокочувствительной аппаратурой открывают новые возможнос-п исследования структуры и функций живой клетки: с помощы электродов, площадь которых составляет всего лишь нескольк микрометров, можно регистрировать процессы, происходяцпя внутри клетки.