Femtoquímica

Femtochemistry é um ramo da química que descreve processos no tempo femtosegundo escala (1 fs = 10 ^-15  s).

Os processos dinamicamente mensuráveis ​​que ocorrem neste intervalo de tempo são movimentos centrais (vibrações). A velocidade típica de movimento dos núcleos é de cerca de 1 km / s. Isso significa que no intervalo do femtossegundo eles se movem alguns Ångström (1 Å = 10 ⁻¹⁰  m); uma oscilação molecular dura aproximadamente 10 a alguns 100 fs. Uma vez que as vibrações nas moléculas - em particular a formação e quebra de ligações - representam a base das reações químicas, esta área de pesquisa é entendida como uma subárea separada da química e é referida como "química do femtossegundo" ou femtoquímica.

história

Com a invenção dos pulsos de laser “bloqueados por fase” em meados / final dos anos 1980, a faixa do femtossegundo tornou-se experimentalmente acessível. Métodos especiais de espectroscopia , como a técnica da sonda de bomba , tornam possível medir instantâneos dos movimentos do núcleo diretamente. Em seu trabalho com NaI e ICN (entre outras moléculas), Ahmed Zewail foi capaz de gerar esses instantâneos e, entre outras coisas, medir o tempo em que as ligações moleculares se quebram. Em 1999, ele recebeu o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho.

fundo

Um experimento de femtossegundo típico consiste em uma sequência de pulso de 2 pulsos: um pulso de bomba (pulso de excitação), que coloca a molécula em um estado animado (dinâmico) e um pulso de teste retardado (pulso de consulta), que fornece as informações dinâmicas do sistema em consultas de momentos diferentes. Normalmente, o pulso de interrogação é um pulso ionizante e a informação interrogada é medida na forma de fotoelétrons ou fragmentos. O intervalo de tempo entre os dois pulsos é variado no sentido de que um pulso tem que percorrer um desvio em um caminho com espelhos. Este desvio é muito pequeno: a diferença de tempo de 100 fs significa desvio de 0,03 mm. As informações solicitadas fornecem, por assim dizer, uma impressão digital do sistema no momento da solicitação (analogia: cronômetro ).

Em teoria, esses experimentos de femtossegundos são tipicamente tratados computacionalmente usando a teoria de perturbação dependente do tempo . A interação do sistema no estado fundamental com o primeiro pulso é descrita na teoria de perturbação de primeira ordem, e a interação com o pulso de sonda em segunda ordem.

Depois que foi possível medir esses processos, foram feitas pesquisas teóricas e experimentais sobre como tais processos podem ser manipulados, por exemplo, para aumentar o rendimento de reações químicas. Esta área é conhecida como controle quântico .

Atualmente (2008) pulsos de laser com uma duração de pulso de menos de 5 fs e intensidades de pico bem acima de 10 ¹⁸  W / m ² podem ser gerados. Pois os campos assim gerados é a fase do campo sob a função envolvente , não é mais desprezível. Com esses pulsos e até mesmo mais curtos, a dinâmica do elétron agora pode ser observada e influenciada. Os pulsos de laser ultracurtos, fortes e com fase estabilizada são usados ​​principalmente na física de attossegundos e na geração de harmônicos elevados . ${\ displaystyle E (t)}$${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle f (t)}$${\ displaystyle E (t) = f (t) \ cdot \ cos (\ omega t + \ phi)}$

Veja também

• Laser de femtosegundo

literatura

• Ahmed H. Zewail: Femtochemistry. Passado, presente e futuro. In: Pure and Applied Chemistry. 72, 2000, pp. 2219-2231, doi : 10.1351 / pac200072122219 .

Evidência individual

1. ↑ "Femtosecond Chemistry" Volume I e II, VCH Weinheim (1995).
2. ↑ M. Shapiro, P. Brumer, “Principles of Quantum Control of Molecular Processes,” Wiley, New York (2003); SA Rice, M. Zhao, "Optical Control of Molecular Dynamics", Wiley, New York (2000).