Lehrseminar B: Kurzpulslaser und Anwendung. Ultraschnelle Prozesse in der FEMTOCHEMIE. von Alexander Kaebe

Transkript

1 Lehrseminar B: Kurzpulslaser und Anwendung Ultraschnelle Prozesse in der FEMTOCHEMIE von Alexander Kaebe

2 Inhalt l Einführung l Experimenteller Aufbau l Ultraschnelle Prozesse in der Femtochemie l Steuerung photochemischer Prozesse l Zusammenfassung und Ausblicke l Literatur

3 Einführung l Entwicklung der Femtosekundenlaser brachte die Geburt der Femtochemie l A. H. Zewail erhielt dafür 1999 den Nobelpreis l Die Femtochemie erforscht den Ablauf chemischer Reaktionen l Diese erfolgen in Zeiträumen der Größenordnung von Molekülschwingungen

4 Einführung l Die Beobachtung erfolgt also auf der ultraschnellen Zeitskala weniger Femtosekunden l Mit dieser Hochgeschwindigkeitskamera entstehen Filme der beobachteten Prozesse l Von besonderen Interesse sind dabei die Intermediaten (Übergangszustände)

5 Einführung l Wie läuft die Reaktion vom Cyclobutan zu zwei Ethylen-Molekülen? Links: Lageenergie bei strecken und brechen beider Bindungen Rechts: Lageenergie, wenn eine Bindung nach der anderen bricht

6 Einführung l Speziell ausgewählte Zustände werden durch Photonen angeregt (Pump-Puls) l Dadurch werden die zu untersuchenden Prozesse gestartet l Nach einer bestimmten Zeit wird mit einem zweiten Photon der momentane Zustand abgefragt (Probe-Puls)

7 Einführung l Durch die Variierung der Verzögerungszeit entsteht so ein Film der Reaktion

8 Ultraschnelle Prozesse in der Femtochemie l Spaltung von Natriumjodid (Zewail et al.) l Photoinduzierte Harpunreaktion in Ba...FCH 3 (Radloff und Mitarbeiter) l Isomerisierungsreaktionen (Zewail et al.)

9 Spaltung von Natriumjodid 1,5 1 NaI Na + I - 0,5 0 Na + I Potentielle Energie [ev] -0,5-1 -1,5-2 l 1 Pump-Puls level-crossing -2,5-3 kovalenter erster Angeregter Zustand ionischer Grundzustand Reihe6-3, Kernabstandskoordinate [Å] Molekülschwingungen von NaI

10 Spaltung von Natriumjodid Detektion des aktivierten Komplexes im Übergangszustand Detektion der freien Fragmente (a) und des aktivierten Komplexes (b)

11 Photoinduzierte Harpunreaktion in Ba...FCH 3 Präparation über Van der Waals Bindung und Anregung mit dem Pump Laserpuls Das Barium fängt mit seinem angeregte Elektron das Fluor ein

12 Photoinduzierte Harpunreaktion in Ba...FCH 3 Schliesslich löst sich die Bindung zum Kohlenstoff und es entsteht Bariumfluorid. Dieses lässt sich mit dem Probe Laserpuls detektieren

13 Experimenteller Aufbau MCP TOF Electron molecular beam nozzle Ba...FCH 3 He MCP laser beams magnet pump TOF Ion

14 Photoinduzierte Harpunreaktion in Ba...FCH 3 Zeitlicher Verlauf der Reaktion: Oben die Edukte und unten das Produkt. Man erkennt, daß beide Vorgänge mit derselben Zeitkonstanten ablaufen. Lehrseminar B Alexander Kaebe 14

15 Isomerisierung in Stilben Durch Anregung mit Licht wird die Isomerisierung eingeleitet cis - Stilben trans - Stilben light H H H H

16 Isomerisierung in Stilben Torsionswinkel im (cis-) Stilben. Die Isomerisierungsreaktion erfolgt durch Torsion der Doppelbindung des Ethens (Winkel θ)

17 Steuerung photochemischer Prozesse l Steuerung photochemischer Prozesse: Phasenkontrolle (Brumer und Shapiro) Zeitkontrolle (Tanner, Kosloff und Rice) STIRAP-Kontrolle (Bergmann et al.) optimale Kontrolltheorie (Kosloff et al.) adaptive Pulsformung (Rabitz und Mitarbeiter)

18 Steuerung photochemischer Prozesse

19 Zusammenfassung und Ausblicke l Femtosekundenspektroskopie hat unsere Sicht auf chemische Reaktionen grundlegend geändert l Heute sind wir in der Lage, die Bewegungen der einzelnen Atome in Echtzeit zu verfolgen l Das ist auch der Grund für die explosive Entwicklung auf diesem Forschungsgebiet

20 Zusammenfassung und Ausblicke l Langfristig besteht die Möglichkeit zur Herstellung einer Prozesstechnik l Daraus folgt eventuell eine gezielte Produktion von neuen Arzneien oder Materialien l Mit der schnellsten Kamera der Welt in den Händen setzt nur die Phantasie Grenzen für neue Probleme, die es zu erforschen gilt

21 Literatur l l l l Kiefer, B.: Femtochemie: Beobachtung und Steuerung molekularer Dynamik. Dissertation. Universität Würzburg Brixner, T. und G. Gerber: Laser-optimierte Femtochemie. In: Phys. Blätter 57 (2001) Nr.4. Weinheim Bergt, M.: Photodissoziationsdynamik metallorganischer Moleküle. Dissertation. Universität Würzburg Seyfried, V.: Beobachtung und Kontrolle molekularer Dynamik durch Femtosekundenlaserpulse. Dissertation. Universität Würzburg 1998.

22 Literatur l l l l Bartelt, A.: Steuerung der Wellenpaketdynamik in kleinen Alkaliclustern mit optimierten Femtosekundenpulsen. Inauguraldissertation. Freie Universität Berlin Frohnmeyer, T.: Abbildung molekularer Dynamik mittels Femtosekunden-Photoelektronenspektroskopie. Dissertation. Universität Würzburg Zewail, A. H.: Femtochemistry, Band I-II. Singapore Radloff, W.: Ultrafast dynamics and energetics of the intrcluster harpooning reaction in Ba...FCH 3. In: Chemical Physics Letters.