Elektron valensi, yang terletak di dalam shell paling luar atom, memainkan peranan penting dalam memacu tindak balas kimia dan membentuk ikatan dengan atom lain.
Tetapi pengimejan zarah -zarah ini kerana mereka melakukan kerja ini adalah rumit. Bukan sahaja elektron valensi sangat kecil, mereka juga membentuk ikatan kimia dalam femtoseconds - semata -mata quadrillionths detik.
Sekarang, percubaan di Makmal Pemecut Nasional Jabatan Tenaga telah, buat kali pertama, menggabungkan teknologi Ray Advanced X - dengan pemotongan - simulasi dan teori untuk imej kesan gerakan elektron valensi dalam masa nyata sepanjang tindak balas kimia.
Menggunakan X- yang sangat cerah dari Slac's Ultrafast Linac Coherent Source (LCLS), pasukan institusi multi - mengesan elektron valensi tunggal kerana ia membimbing pemisahan hidrogen dari molekul ammonia.
Hasilnya, yang diterbitkan dalam jurnalSurat Kajian Fizikal, boleh membantu saintis kedua -duanya lebih memahami kimia pada tahap asas dan lebih baik mengawal hasil tindak balas kimia. Pengetahuan itu, sebaliknya, boleh dimanfaatkan untuk merancang bahan dan teknologi generasi seterusnya -.
Menjejaki elektron valensi semasa reaksi
Para saintis telah mencuba selama bertahun -tahun untuk mengesan gerakan elektron tunggal sepanjang reaksi kimia. Walau bagaimanapun, pencitraan perjalanan ini telah sukar difahami di beberapa peringkat kerana sukar untuk mengasingkan elektron tunggal dari banyak elektron dalam atom, dan ia juga mustahil untuk melakukannya dalam skala masa yang sangat cepat di mana tindak balas kimia berlaku.
Di SLAC, pasukan penyelidikan memutuskan untuk mencuba pendekatan baru yang melibatkan kedua -dua teori dan eksperimen. Menggunakan kuasa LCLS, laser ray x -, mereka menggunakan masa - diselesaikan x - ray penyebaran - bentuk pencitraan pada tahap atom dan dalam femtoseconds yang sensitif
Pasukan itu diketuai oleh Ian Gabalski, Ph.D. Pelajar di Universiti Stanford, Profesor Philip Bucksbaum di Stanford Pulse Institute, dan Nanna List, seorang penolong profesor kimia teoritis di Kth Royal Institute of Technology, Sweden, dan di University of Birmingham, UK Gabalski mengetuai eksperimen dan analisis data, sementara yang dibenarkan oleh pihak berkuasa yang dibenarkan oleh itu Penyusunan semula elektron.
Untuk mengesan kesan gerakan elektron, pasukan itu mencipta kandang ammonia ketumpatan tinggi - dan teruja dengan laser ultraviolet. Ketika laser melewati gas, x - sinar dari LCL memukul elektron dan bertaburan kembali. "Dan semuanya berlaku dalam perjalanan 500 femtoseconds," kata Gabalski.
Dalam kebanyakan molekul, elektron teras, yang terikat dengan atom, melebihi jumlah elektron valensi luar. Tetapi dalam molekul kecil dan ringan seperti ammonia, yang terdiri daripada atom nitrogen dan tiga atom hidrogen, elektron valensi jauh melebihi elektron teras. Ini bermakna bahawa isyarat penyebaran sinar x - dari elektron valensi cukup kuat untuk mengesannya dan "melihat" bagaimana mereka bergerak sementara juga menyimpulkan kedudukan atom.
Para saintis sudah tahu bahawa ammonia photoexcited berevolusi dari struktur di mana atom nitrogen dan hidrogen membentuk piramid kepada satu di mana semua atom terletak dalam satah. Akhirnya, salah satu hidrogen memecah dari geometri planar ini dan serpihan molekul. Dengan teknik penyebaran ray x - mereka, para penyelidik dapat memaparkan gerakan elektron yang mendorong penyusunan semula nuklear ini.
Pengiraan senarai adalah kunci untuk menafsirkan data. "Biasanya kita perlu menyimpulkan bagaimana elektron valensi bergerak semasa reaksi dan bukannya melihatnya secara langsung, tetapi di sini kita benar -benar dapat menyaksikan penyusunan semula mereka dibentangkan melalui pengukuran langsung," kata List. "Ia adalah kerjasama yang sangat bagus antara teori dan percubaan."
Mengikuti jalur tindak balas kimia yang berbeza
Mengesan gerakan elektron valensi juga menyediakan tetingkap ke dalam laluan yang berbeza yang boleh diambil oleh reaksi kimia, didorong oleh gerakan elektronik.
"Jika anda cuba mensintesis molekul untuk farmaseutikal atau bahan baru, tindak balas kimia itu sentiasa akan dicabut ke dalam kedua -dua laluan yang dikehendaki dan tidak diingini," kata Gabalski. "Apabila ia tidak berjalan dengan cara yang anda mahu, ia menghasilkan produk sampingan, jadi jika anda memahami bagaimana ini berfungsi, maka anda dapat memikirkan cara untuk mengarahkan reaksi itu ke arah yang anda inginkan, ia boleh menjadi alat yang sangat kuat untuk kimia secara umum."
Pasukan ini berharap dapat terus memperbaiki teknik mereka untuk menangkap imej yang lebih baik, terutama dengan rasuk sinar X - selepas peningkatan LCL baru -baru ini.
"Kami dapat melihat isyarat elektron valensi ini di laut latar belakang elektron teras, yang membuka banyak jalan baru," kata List. "Ia adalah bukti konsep yang telah mendorong kita untuk cuba melihat perkara -perkara yang tidak dapat kita lihat sebelum ini."
