科学家借助高速电子脉冲与新型分析工具的结合，首次达成了对电子运动的实时成像，同时也首次达成了对原子运动的实时成像。

化学教科书常常将重点放在反应的开始与结束之处，然而却很少去展现其中发生的具体过程。观察这些被隐藏起来的瞬间是非常关键的，这是由于化学从本质上来说是受量子规律所支配的。科学家借助实时捕捉电子和原子核是怎样协同运动，最终能够去验证量子理论是不是真的描述了化学反应，并且揭示那些仅在化学键形成以及断裂的时候才会显现出来的效应。

然而，直接对这些过程进行观测被视作不可行，因为电子转移和原子重排是在超快时间尺度上发生的。如今，上海交通大学一个从事研究的团队在这一领域取得了重要进展。

借助先进的超快电子衍射技术，研究人员实现了成功成像，成像内容为分子分解过程里电子与原子核于真实空间内的运动。研究资深作者向遥（音译）宣称：“研究电子动力学，对推进基础物理以及在材料与化学科学中的应用研究而言，具备重大意义。”。

追踪运动中的电子与原子

传统衍射技术，在追踪较重原子核方面颇为擅长，然而，在探测电子密度的细微变化上，却存在困难。所以，以往科学家们，仅能够对原子运动进行观测，但却没办法看清，驱动这些运动的电子 。

这个研究团队，凭借把超快电子衍射也就是UED的空间以及时间精度，提升到了从来没有过的程度，突破了这个局限。在实验里，他们把氨分子也就是NH₃当作研究对象，这种简单的分子，仍旧蕴含着丰富的电子动力学过程。

首先，研究人员运用波长大概为200纳米的短激光脉冲去激发氨分子，这一“泵浦”脉冲把氮原子上孤对电子轨道里的一个电子激发到和氮氢键相关的反键轨道，向遥解释称，“泵浦脉冲触发之后，氮原子孤对电子轨道中的电子被激发至N - H反键σ轨道，从而引发氨分子的伞形振动以及N - H键解离。”。

团队为追踪后续过程，向一些受激分子发射了一束超快高能（MeV级）的电子脉冲，当这些被称作"探测"的电子穿过样品之时，会由原子核以及其周围电子产生的电场进行散射，探测器所记录的衍射图案里头，藏着分子内部电荷随时间变化的分布信息 。

解码探测信号

该研究的关键突出之处在于信号分析的方式，团队运用了“电荷对分布函数”这种分析技术，向遥表明：“我们针对实验衍射强度开展CPDF分析，借此能够同时呈现价电子以及氢原子的动态变化过程。”。

CPDF让他们能够同时进行分离以及可视化三类相互作用，这三类相互作用分别是原子核-原子核，电子-原子核还有电子-电子关联。这样一来，研究团队就能够同步去绘制价电子转移的轨迹以及氢原子运动的轨迹。由于装置具备高灵敏度与信号质量，他们甚至成功追踪了氢原子的运动，而这曾经是被公认为难题，原因在于氢对电子的散射极其微弱并且运动速度极其快。

就此终结，该项研究成功获取了氨分子光解离进程里电子轨道的变化情况，以及电子密度的演化态势，还有原子响应的实时实空间图像，而这乃是以往任何一种技术都没有办法达成的突破。

挖掘UED技术潜力

与物理领域相关的这项工作，标志着化学方面实现了重要进展，研究借助证明UED能够直接探测价电子重排，冲破了把原子当作独立静态散射体的传统模型的局限，揭示出对那实实在在主导着化学反应的电子活动，从长远角度来看，此项技术会致使人们对于反应机理以及能量转移还有分子量子效应的理解得以深化。

向遥接着补充讲道，我们所做的分析成功地揭示出了UED信号里丰富的电子动力学方面的信息，其中涵盖了电子轨道跃迁，还有电子密度演化动力学以及电子 - 电子关联。

当然，这项技术仍旧存在着局限，比如说电子信号极为微弱，很容易被较重原子的散射信号给掩盖住。接下来，研究团队会对方法进行优化，并且把它拓展到其他的体系当中。向遥总结表示：要把这种方法推广到更多的分子体系，让电子衍射技术就算是在复杂有机分子里也能够探测出价电子重排的特征信号。