Kuidas tabada molekule ergastatud olekutes?

Aatomid ja molekulid astuvad keemilistesse reaktsioonidesse ergastatud seisunditest, millel on väga lühike eluiga ning mida ei ole seni olnud võimalik katseliselt uurida. Nüüd on Masakazu Yamazaki (Tohoku Ülikool, Jaapan) töörühm saanud selliste, vaid pikosekundeid kestvate seisundite kohta infot, mõõtes neilt hajunud elektronide energiaid. Tulevikus loodavad uurijad saada 3D kujutisi ergastatud olekutes molekulide elektronpilvedest ning uurida elektronide dünaamikat keemilistes reaktsioonides.

Elektronide orbitaalide mõistega me oleme tuttavad koolifüüsikast – elektrone ei saa ette kujutada ümber aatomite või molekulide tuumade tiirlevate pallidena, rääkida saab tõenäosusjaotustest, st piirkondadest, kust on suurem tõenäosus elektrone leida, kui me neid tõepoolest otsima, st mõõtma hakkaksime . Elektronide orbitaalide eksperimentaalseks uurimiseks on olemas meetod, mida nimetatakse elektronide impulsside spektroskoopiaks (electron momentum spectroscopy ehk EMS). Selles meetodis juhitakse uuritavale gaasile elektronide juga/kiir ning mõõdetakse ära kõigi hajunud elektronide impulsid ja energiad, samuti kõigi uuritava gaasi aatomitest välja löödud elektronide impulsid ja energiad. Neid mõõtmisi kavalal viisil kombineerides on võimalik saada infot uuritava gaasi elektronide orbitaalide kohta.

Keemiliste reaktsioonide uurimisel on tähtsad just ergastatud seisundid. Selliste seisundite eluiga on väga lühike, vaid mõned pikosekundid. Samas traditsiooniline elektronide spektroskoopia ajalist lahutust ei võimalda. 2013.a. lisas Masahiko Takahashi kolleegidega elektronide kimbule lühikesed valgusimpulsid ning said sel kombel aeglahutusega elektronide spektroskoopia. Aga ergastatud seisundeid ei olnud selle uudse meetodiga seni uuritud.

Kõnealuses katses suunasid uurijad femtosekundlaseri impulsi deuteeritud atsetooni kimbule. Kõigepealt ergastas laseri impulss atsetooni elektronid nn S₂ Rydbergi seisundisse, kus elektronide orbitaalid on suuremad, kui põhiseisundis. Vahetult pärast ergastamist suunasid nad uuritavatele aatomitele elektronide kimbu ning mõõtsid ära hajunud ja atsetooni molekulidest välja löödud elektronide energiad. Sel kombel said nad korraga andmeid nii ergastatud kui ka ergastamata atsetooni molekulidest. Katses selgus, et ergastatud ja ergastamata orbitaalidelt välja löödud elektronide energiad olid tõepoolest erinevad.

Järgmisena jätsid uurijad valgusimpulsi ja elektronide kimbu vahele 100ps ajaintervalli. Kuna ergastatud atsetooni molekul laguneb kolmeks tükiks juba 20ps järel, siis peaks sel juhul mõõdetav spekter olema laguproduktide spekter ning katses selline tulemus ka saadi. Sellest saab omakorda järeldada, et esimeses katses mõõdeti tõepoolest ergastatud seisundeid.

See oli ka kõik, mis selle konkreetse katse käigus suudeti ära mõõta. Nii et ergastatud molekulide 3D kujutiste või elektronide dünaamika mõõtmiseni on veel väga pikk tee minna. Siiski võib tegemist olla läbimurdelise eksperimendiga – mõõteseadme tööprintsiibi rakendatavus ergastatud olekute uurimiseks sai kinnituse ning ehkki esimeste mõõtmiste täpsus ei olnud kuigi suur näevad uurijad küllaga võimalusi selle parandamiseks.

Allikad:

http://physics.aps.org/articles/v8/23

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.103005