Bir atomun en dış kabuğunda bulunan değerlik elektronları, kimyasal reaksiyonları sürmede ve diğer atomlarla bağ oluşturmada önemli bir rol oynar.
Ancak bu parçacıkları bu işi gerçekleştirirken görüntülemek zordur. Sadece değerlik elektronları inanılmaz derecede küçük olmakla kalmaz, aynı zamanda femtosaniye içinde kimyasal bağlar da oluştururlar - saniyenin sadece katilyonunda.
Şimdi, Enerji Bölümü'nün SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndaki bir deney, ilk kez, bir kimyasal reaksiyon boyunca bir değerlik elektronunun hareketinin gerçek zamanlı olarak etkisini görüntülemek için - ışın teknolojisini birleştirdi.
SLAC'ın ultra hızlı Linac tutarlı ışık kaynağından (LCL'ler) son derece parlak x - ışın darbeleri kullanılarak, bir çok - kurumsal ekibi, bir amonyak molekülünden hidrojen ayrışmasını yönlendirirken tek bir değerlik elektronunu izledi.
Dergide yayınlanan sonuçlarFiziksel İnceleme Mektupları, bilim adamlarının hem kimyayı temel düzeyde daha iyi anlamalarına hem de kimyasal reaksiyonların sonuçlarını daha iyi kontrol etmesine yardımcı olabilirler. Bu bilgi, bir sonraki - nesil malzemeleri ve teknolojilerini tasarlamak için kullanılabilir.
Bir reaksiyon sırasında bir değerlik elektronunun izlenmesi
Bilim adamları yıllarca kimyasal reaksiyon boyunca tek bir elektron hareketlerini izlemeye çalıştılar. Bununla birlikte, bu yolculuğun görüntülenmesi birkaç seviyede zor olmuştur, çünkü tek elektronları bir atom içindeki birçok elektrondan izole etmek zordur ve kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği son derece hızlı zaman ölçeği içinde bunu yapmak imkansızdır.
SLAC'da bir araştırma ekibi hem teori hem de deneyleri içeren yeni bir yaklaşım denemeye karar verdi. Bir x - ışın lazeri olan LCL'lerin gücünü kullanarak, - çözülmüş x - ışın saçılımı -, atomik seviyede ve femtoSeconds içinde bir görüntüleme biçimi ve elektrikli dağıtımın {{{5} 'ile eşleştirilecek kadar hassas olan bir şekilde görüntüleme biçimi kullandılar.
Takım, doktora derecesi Ian Gabalski tarafından yönetildi. student at Stanford University, Professor Philip Bucksbaum at the Stanford PULSE Institute, and Nanna List, an assistant professor of theoretical chemistry at KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and at the University of Birmingham, UK Gabalski led the experiment and data analysis, while List provided the theory and simulations that both guided the choice of reaction and later provided the key comparison required to establish that the experiment had indeed captured valence electron yeniden düzenleme.
Elektron hareketinin etkisini izlemek için ekip, yüksek - yoğunluk amonyakının bir muhafazası oluşturdu ve bir ultraviyole lazerle heyecanlandırdı. Lazer gazdan geçtikçe, LCL'lerden gelen x - ışınları elektronlara çarptı ve geri dağıldı. Gabalski, "Ve her şey 500 femtosaniyede olur." Dedi.
Çoğu molekülde, atomlara sıkıca bağlı olan çekirdek elektronlar, dış değerlik elektronlarından daha fazla. Ancak, bir azot atomu ve üç hidrojen atomundan oluşan amonyak gibi küçük ve hafif moleküllerde, değerlik elektronları çekirdek elektronlardan çok daha fazladır. Bu, değerlik elektronlarından gelen x - ışın saçılma sinyalinin onları izleyecek kadar güçlü olduğu ve atomların pozisyonlarını çıkarırken nasıl hareket ettiklerini "görün" anlamına gelir.
Bilim adamları, foto takışlı amonyakın azot ve hidrojen atomlarının tüm atomların bir düzlemde yattığı bir piramit oluşturduğu bir yapıdan geliştiğini zaten biliyorlardı. Sonunda, hidrojenlerden biri bu düzlemsel geometriden kopar ve molekülü parçalar. X - ışın saçılma tekniğiyle, araştırmacılar bu nükleer yeniden düzenlemeyi sürükleyen elektron hareketini görüntüleyebildiler.
Listenin hesaplamaları verileri yorumlamanın anahtarıdır. Liste, "Normalde, değerlik elektronlarının bir reaksiyon sırasında doğrudan görmek yerine nasıl hareket ettiğini çıkarmak zorundayız, ancak burada aslında yeniden düzenlemelerinin doğrudan ölçümlerle ortaya çıkmasını izleyebiliriz." Dedi. "Teori ve deney arasında çok güzel bir işbirliği oldu."
Farklı kimyasal reaksiyon yollarını takip etmek
Valans elektronlarının hareketini izlemek, kimyasal reaksiyonların elektronik hareketle yönlendirilebileceği farklı yollara bir pencere sağlar.
Gabalski, "Bir molekülü yeni bir farmasötik veya malzeme için sentezlemeye çalışıyorsanız, bu kimyasal reaksiyonlar her zaman hem istenen hem de istenmeyen yollara dallanacak." Dedi. "İstediğiniz gibi gitmediğinde, yan ürünler yaratır. Yani, bunun nasıl çalıştığını anlarsanız, bu reaksiyonu istediğiniz yönde nasıl yönlendireceğinizi anlayabilirsiniz. Genel olarak kimya için çok güçlü bir araç olabilir."
Ekip, özellikle son LCLS yükseltmesinden sonra daha güçlü X - ışın ışınlarıyla daha da iyi görüntüler yakalamak için tekniklerini geliştirmeye devam etmeyi umuyor.
Liste, "Bu değerlik elektron sinyallerini, birçok yeni yol açan çekirdek elektron arka planının denizinde görebiliyorduk." Dedi. Diyerek şöyle devam etti: "Bizi daha önce göremediğimiz şeyleri görmeye çalışmaya iten bir kavram kanıtıdır."
