Valenční elektrony, které se nacházejí ve vnějším plášti atomu, hrají důležitou roli při řízení chemických reakcí a vytvářejí vazby s jinými atomy.
Ale zobrazování těchto částic při provádění této práce je složité. Nejen, že valenční elektrony jsou neuvěřitelně malé, ale také tvoří chemické vazby v femtoseconds - pouhých kvadrilioniontů sekundy.
Nyní experiment na ministerstvu SLAC National Accelerator Laboratory ministerstva energetiky poprvé kombinoval pokročilé x - Ray Technology s řezem - okrajových simulací a teorie, aby si představoval dopad pohybu valenčního elektronu v reálném čase během chemické reakce.
Použití extrémně jasného X - Rayových pulsů z ultrarychlého linac koherentního světelného zdroje SLAC (LCLS), institucionální tým multi - sledoval jediný valenční elektron, protože vedl disociaci vodíku z molekuly amonia.
Výsledky, publikované v časopiseFyzikální kontrolní dopisy, mohl by vědcům pomoci lépe porozumět chemii na základní úrovni a lépe kontrolovat výsledky chemických reakcí. Tato znalost by zase mohla být využita k navrhování příštích - Generačních materiálů a technologií.
Sledování valenčního elektronu během reakce
Vědci se po celá léta pokusili sledovat pohyby jediného elektronu během chemické reakce. Zobrazování této cesty však bylo nepolapitelné na několika úrovních, protože bylo obtížné izolovat jednotlivé elektrony od mnoha elektronů v atomu a také nebylo možné tak učinit v rámci extrémně rychlého časového rozsahu, na kterém probíhají chemické reakce.
Ve společnosti SLAC se výzkumný tým rozhodl vyzkoušet nový přístup, který zahrnoval jak teorii, tak experimenty. Pomocí síly LCLS, X - Ray Laser, použili čas - vyřešené x - Ray Scatting - Forma zobrazování na atomové úrovni a v atomové úrovni a v atomové úrovni na atomové úrovni a ženci, která je dostatečně citlivá na to, aby se sledovala distribuce elektronů a teorie.
Tým byl veden Ian Gabalski, Ph.D. Student na Stanfordské univerzitě, profesor Philip Bucksbaum na Stanford Pulse Institute a Nanna List, asistentka teoretické chemie na Kth Royal Institute of Technology, Švédsko, a na univerzitě v Birminghamu, britským britským britským britským, britským vedl, aby se zavázala, aby stanovila, že je třeba vybrat, aby se rozhodl, že je třeba porovnat, a to, aby se staralo o to, aby stanovila, že je třeba vybrat, aby se rozhodl o tom, že je třeba vybrat, a to, aby se staralo o to, aby se staralo o to, aby se staralo o to, aby se staralo o to, aby se staralo o to, aby se staralo o to, aby se staralo o to, aby se zabýval tím, že je to, že je třeba vybrat, a to, aby se zabýval. přeskupení.
Pro sledování dopadu pohybu elektronů vytvořil tým kryt vysokého - hustotního amoniaku a vzrušil jej ultrafialovým laserem. Když laser procházel plynem, paprsky X - z LCL zasáhly elektrony a rozptýleny zpět. „A celá věc se stane v průběhu 500 femtosekund,“ řekl Gabalski.
Ve většině molekul převyšují základní elektrony, které jsou pevně vázány na atomy, vnější valenční elektrony. Ale v malých a lehkých molekulách, jako je amoniak, který se skládá z atomu dusíku a tří atomů vodíku, valenční elektrony daleko převyšují základní elektrony. To znamená, že X - SIGNATIGNOVÁNÍ SIGNATION z VALENCE ELECTRONY je dostatečně silný, aby je sledoval a „vidět“, jak se pohybovali a zároveň odvozili pozice atomů.
Vědci již věděli, že fotoexcitovaný amoniak se vyvíjí ze struktury, ve které atomy dusíku a vodíku tvoří pyramidu, na kterou všechny atomy leží v rovině. Nakonec se jeden z hydrogenů odtrhne z této rovinné geometrie a fragmentuje molekulu. S jejich technikou rozptylu paprsků X - byli vědci schopni představit elektronový pohyb, který řídil toto jaderné přeskupení.
Výpočty seznamu byly klíčem k interpretaci dat. "Normálně musíme odvodit, jak se valenční elektrony pohybují během reakce, spíše než je vidět přímo, ale zde bychom mohli skutečně sledovat, jak se jejich přeskupení rozvíjí prostřednictvím přímých měření," řekl List. "Byla to velmi pěkná spolupráce mezi teorií a experimentem."
Po různých cestách chemických reakcí
Sledování pohybu valenčních elektronů také poskytuje okno do různých cest, které mohou chemické reakce probíhat, poháněné elektronickým pohybem.
"Pokud se pokoušíte syntetizovat molekulu pro nový farmaceutický nebo materiál, tyto chemické reakce se budou vždy rozvětvovat do požadovaných i nežádoucích cest," řekl Gabalski. „Když to nejde tak, jak chcete, vytváří to vedlejší produkty. Takže pokud chápete, jak to funguje, můžete přijít na to, jak řídit tuto reakci ve požadovaném směru. Může to být velmi mocný nástroj pro chemii obecně.“
Tým doufá, že bude i nadále zdokonalovat své techniky pro zachycení ještě lepších obrázků, zejména s ještě silnějšími X - paprsky paprsků po nedávném upgradu LCLS.
"Viděli jsme tyto valenční elektronové signály v moři základního elektronového pozadí, které otevírá mnoho nových cest," řekl List. "Byl to důkaz konceptu, který nás tlačil, abychom se pokusili vidět věci, které jsme předtím neviděli."
