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원자핵을 둘러싼 전자의 3차원 분포를 볼 수 있는 획기적인 방법이 개발돼 화학반응을 이해하는데 새로운 전기가 마련됐다.

원자는 가운데 원자핵과 그 주위에 분포한 전자로 이뤄져 있다. 모든 화학반응은 원자 둘레의 전자가 다른 원자의 전자와 상호작용한 결과다.

예를 들어 질소원자 2개가 모여 만들어진 질소분자(N₂)는 일정한 거리로 떨어져 있는 두 원자핵 사이에 전자가 분포해 있다. 캐나다 스티시분자과학연구소의 데이비드 빌레뉴브 박사팀은 극단적으로 짧은 레이저 펄스를 이용해 전자의 위치를 알아냈다. 질소분자에 레이저 펄스를 쏘면 일시적으로 전자가 떨어졌다가 다시 붙는데 이때 빛이 발생하면서 간섭을 일으킨다. 간섭 패턴은 전자의 위치와 레이저 펄스를 맞은 분자의 부위에 의해 결정된다. 이 과정은 2펨토초(펨토는 ${10}^{-15}$)만에 일어난다. 연구자들은 수천회의 펄스 실험을 통해 얻어진 간섭 데이터를 처리해 질소분자의 전자분포를 얻어내는데 성공했다.

연구자들은 “아직까지는 질소분자처럼 간단한 구조에만 적용됐지만 조만간 구조가 복잡한 유기분자의 전자분포도 볼 수 있을 것”이라며 “이 기술은 새로운 촉매를 개발하거나 단백질의 구조를 이해하는데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 이 연구결과는 ‘사이언스’ 12월 16일자에 실렸다.