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科学家成功检测了分子的短寿命激发态

时间:2015-04-11 09:10来源:全息网 作者:佚名 点击:
  处于短寿命激发态的原子和分子经常可以引发化学反应。近日,科学家已经尝试了对其中一种激发态下的电子轨道进行成像。他们利用目标分子对入射电子的散射,探测分子中电子的能量和动量。...

 
  处于短寿命激发态的原子和分子经常可以引发化学反应。近日,科学家已经尝试了对其中一种激发态下的电子轨道进行成像。他们利用目标分子对入射电子的散射,探测分子中电子的能量和动量。研究人员对持续仅数皮秒的丙酮激发态做出了研究。随着技术水平提高,研究人员最终应该可以对激发态分子轨道进行3D成像,并对化学反应的电子动力学进行深入理解。
  了解电子轨道的行为,特别是外层活跃电子的轨道,对于理解化学反应至关重要。在60年代末和70年代初发展起来的电子动量谱(electron momentum spectroscopy,EMS)方法,使用连续电子束轰击大量气态原子或分子,然后研究人员测量每个散射电子和目标原子或分子放出电子(rejected electron,或称“逐出电子”)的能量和动量,由此对分子外层轨道成像。
  问题是,许多化学反应所必需的激发态会在数皮秒内衰减,而传统的EMS的时间分辨率不够。使用激光激发原子束已经取得了一些进展,但是这对分子来说还不可行,并且这些实验无法观测激发态的时间演化。但是在2013年,日本仙台东北大学的高桥正彦(Masahiko Takahashi)及其同事用脉冲电子束取代了连续电子束,在EMS中引入了时间分辨。在最初的实验中,研究人员用氖原子基态测试了他们的设备。现在,在他们最新的工作中,该团队已经证明了该技术在激发态成像方面的潜力。
  研究者用飞秒激光脉冲激发氘代丙酮(一种三碳的有机分子,其中的氢原子被氘原子代替)。首先,激光光子激发丙酮电子进入拥有更大的轨道的S2里德伯态。在激发后的瞬间,用一束电子脉冲轰击分子,逐出激发电子。研究人员测量了来自丙酮激发态与非激发态的散射电子和逐出电子。通过差值,他们计算出S2态下电子的能量和动量,发现它们的测量值与理论模型相一致。例如,S2态的电子结合能谱在3.5电子伏特出显示出一个峰值,这同其3s轨道激发态的预测值吻合。
  接下来,研究人员在激光和电子脉冲之间加入了100皮秒的时间延迟。一旦激发到S2态,丙酮分子就会在20皮秒内分裂成三块,所以100皮秒之后,频谱能有效地观测分解产物。在这项实验中,结果与理论相一致,证实了研究人员已经检测到激发态的假设。
  该项结果在能量和动量上有很大的不确定性,而时间的不确定性(±35ps)比激发态寿命更长,因此这样的数据还不能被转换成的激发轨道的图像。然而,该团队宣称一些相对简单的改进可以显著提高测量精度。例如,增加一个高功率激光器和脉冲气体喷嘴可以把碰撞数提高300倍,从而减小误差。 “我们想减小实验的延迟间隔,这样就能够观察到分子轨道是如何在化学反应中变化的,”高桥说。拍摄这样的分子轨道“电影”对于研究化学反应动力学是十分重要的。
  “这是一个突破性的实验,设备和技术还有很多有待提高的地方,”EMS先驱之一、澳大利亚国立大学的埃里克?魏戈尔德(Erich Weigold)说,“但是这是一个非常困难的实验,我们应该为他们的成功鼓掌。”
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(责任编辑:大碗)

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