Femtochemie

Erweiterte Suche

Femtochemie ist ein Teilgebiet der Chemie, das Vorgänge auf der Femtosekunden-Zeitskala beschreibt (1 fs = 10−15 s).

Die dynamisch messbaren Vorgänge, die in diesem Zeitbereich stattfinden, sind Kernbewegungen (Vibrationen). Die typische Geschwindigkeit, mit der sich Kerne bewegen, ist ca 1 km/s. Damit bewegen sich diese im Femtosekundenbereich um einige Ångström (1 Å = 10−10  m); eine Molekülschwingung dauert ca. 10 bis einige 100 fs. Da Schwingungen in Molekülen - insbesondere Bindungsbildung und Bindungsbruch - die Grundlage chemischer Reaktionen darstellen, wird dieses Forschungsgebiet als eigener Teilbereich der Chemie aufgefasst und als „Femtosekunden-Chemie“ oder kurz Femtochemie bezeichnet.[1]

Geschichte

Mit der Erfindung der „phase-locked“ Laserpulse Mitte/Ende der 1980er Jahre wurde der Femtosekundenbereich experimentell zugänglich. Spezielle Spektroskopie-Methoden, wie beispielsweise die Pump-Probe-Technik, ermöglichen es, Momentaufnahmen der Kernbewegungen direkt zu messen. In seinen Arbeiten am NaI und ICN (neben anderen Molekülen) konnte Ahmed Zewail solche Momentaufnahmen erzeugen und unter anderem messen, in welcher Zeit Molekülbindungen brechen. Für seine Arbeiten wurde er 1999 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Hintergrund

Ein typisches Femtosekundenexperiment besteht aus einer Pulsfolge von 2 Pulsen: einem Pump-Puls (Anregungspuls), der das Molekül in einen angeregten (dynamischen) Zustand versetzt, und einem zeitverzögerten Probe-Puls (Abfragepuls), der die dynamische Information des Systems zu verschieden Zeitpunkten abfragt. Typischerweise ist der Abfragepuls ein ionisierender Puls, und die abgefragte Information wird in Form von Photoelektronen oder -fragmenten gemessen. Das Zeitintervall zwischen den beiden Pulsen wird variiert, indem ein Puls einen Umweg über eine Strecke mit Spiegeln laufen muss. Dieser Umweg ist sehr klein: 100 fs Zeitdifferenz bedeuten 0,03 mm Umweg. Die abgefragte Information liefert sozusagen einen Fingerabdruck des Systems zum Zeitpunkt der Abfrage (Analogie: Stoppuhr).

In der Theorie werden solche Femtosekundenexperimente typischerweise mittels zeitabhängiger Störungstheorie rechnerisch behandelt. Die Wechselwirkung des Systems im Grundzustand mit dem ersten Puls wird in Störungstheorie erster Ordnung, und die Wechselwirkung mit dem Probe-Pulse in zweiter Ordnung beschrieben.

Nachdem es möglich war, diese Vorgänge zu messen, wurde sowohl auf Theorie- als auch auf Experimentatorenseite erforscht, wie solche Prozesse manipuliert werden können, um beispielsweise die Ausbeute chemischer Reaktionen zu erhöhen. Dieses Gebiet wird als Quantenkontrolle bezeichnet.[2]

Aktuell (2008) können Laserpulse mit weniger als 5 fs Pulsdauer und Spitzenintensitäten weit über 1018 W/m2 erzeugt werden. Für so erzeugte Felder $ E(t) $ ist die Phase $ \phi $ des Feldes unter der einhüllenden Funktion $ f(t) $, $ E(t) = f(t)\cdot \cos(\omega t + \phi) $ nicht mehr vernachlässigbar. Mit solchen und noch kürzeren Pulsen kann nun die Elektronendynamik beobachtet und beeinflusst werden. Die ultrakurzen, starken und phasenstabilisierten Laserpulse finden besonders in der Attophysik und in der Erzeugung der Hohen Harmonischen Anwendung.

Siehe auch

Femtosekundenlaser

Einzelnachweise

  1. „Femtosecond Chemistry“ Volume I and II, VCH Weinheim (1995).
  2. M. Shapiro, P. Brumer, „Principles of Quantum Control of Molecular Processes“, Wiley, New York (2003); S. A. Rice, M. Zhao, „Optical Control of Molecular Dynamics“, Wiley, New York (2000).

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News aus den Naturwissenschaften

16.06.2021
Sterne
Helligkeitseinbruch von Beteigeuze
Als der helle, orangefarbene Stern Beteigeuze im Sternbild Orion Ende 2019 und Anfang 2020 merklich dunkler wurde, war die Astronomie-Gemeinschaft verblüfft.
15.06.2021
Festkörperphysik - Quantenphysik - Teilchenphysik
Das Elektronenkarussell
Die Photoemission ist eine Eigenschaft unter anderem von Metallen, die Elektronen aussenden, wenn sie mit Licht bestrahlt werden.
15.06.2021
Festkörperphysik - Quantenoptik
Ultrakurze Verzögerung
Trifft Licht auf Materie geht das an deren Elektronen nicht spurlos vorüber.
14.06.2021
Galaxien
Entdeckung der größten Rotationsbewegung im Universum
D
11.06.2021
Sonnensysteme - Planeten - Sterne
Die Taktgeber der Sonne
Nicht nur der prägnante 11-Jahres-Zyklus, auch alle weiteren periodischen Aktivitätsschwankungen der Sonne können durch Anziehungskräfte der Planeten getaktet sein.
09.06.2021
Galaxien - Sterne - Schwarze_Löcher
Wenn Schwarze Löcher den Weg für die Sternentstehung in Satellitengalaxien freimachen
Eine Kombination von systematischen Beobachtungen mit kosmologischen Simulationen hat gezeigt, dass Schwarze Löcher überraschenderweise bestimmten Galaxien helfen können, neue Sterne zu bilden.
09.06.2021
Monde - Astrobiologie
Flüssiges Wasser auf Monden sternenloser Planeten
Monde sternenloser Planeten können eine Atmosphäre haben und flüssiges Wasser speichern.
03.06.2021
Planeten - Astrophysik - Elektrodynamik
Solar Orbiter: Neues vom ungewöhnlichen Magnetfeld der Venus
Solar Orbiter ist eine gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der NASA, die bahnbrechende neue Erkenntnisse über die Sonne liefern wird.
03.06.2021
Festkörperphysik - Quantenphysik
Quantenbits aus Löchern
Wissenschafter haben ein neues und vielversprechendes Qubit gefunden – an einem Ort, an dem es nichts gibt.
03.06.2021
Supernovae - Astrophysik - Teilchenphysik
Gammablitz aus der kosmischen Nachbarschaft
Die hellsten Explosionen des Universums sind möglicherweise stärkere Teilchenbeschleuniger als gedacht: Das zeigt eine außergewöhnlich detaillierte Beobachtung eines solchen kosmischen Gammastrahlungsblitzes.