• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Energi01. 11. 2017 | Katrine Meyn

Enkeltfoton termisk ionisering af store molekyler

Energi01. 11. 2017 By Katrine Meyn

Ionisering mellem Einstein og Boltzmann. Ionisering er en fundamental proces i naturen. Den findes i flere varianter. Den sidst opdagede, som beskrives her, forener en-foton absorption med termiske processer.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 11, 2017 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af Klavs Hansen, Tianjin Universitet, Tianjin, Kina, Institutionen för Fysik, Göteborgs Universitet og Vitali Zhaunerchyk, Institutionen för Fysik, Göteborgs Universitet

Den mest kendte fotoionisationsproces er nok den fotoelektriske effekt, der gav Einstein Nobelprisen [1]. Foruden prisen og det revolutionerende postulat om lysets kvantisering gav postulatet om fotonen også mulighed for at studere de elektroner, der udsendes med højere tærskler ved at benytte ligningen for elektronens kinetiske energi, Ek:

hvor man kan fortolke Eb som energien af den enkeltpartikeltilstand, elektronen kommer fra. Ved at optage spektra af kinetiske energier får man et meget hurtigt billede af atomets, molekylets eller nanopartiklens energiniveauer, som er det tætteste, vi kommer på et kvantemekanisk fingeraftryk af systemet.En anden type ionisering kan observeres, hvis energien deponeres som varme i et molekyle. Med tilstrækkelig høj energi kan atomer eller små molekyler frigøres termisk. Hvis aktiveringsenergien for den type henfald er tilstrækkelig høj, kan alternative processer konkurrere. Det gælder både varmestråling og termisk emission af elektroner i de molekylære analoger til planckstråling og makroskopisk elektronudsendelse (termionisk emission).

Quasi-termisk sub-picosekund elektronudsendelse
Imellem den fotoelektriske effekt og termionisk emission fandt man i begyndelsen af årtusindet endnu en ioniseringsproces. Den blev observeret i eksperimenter, hvor C60 blev eksponeret for korte laserpulser (35-2.000 femtosekunder, 1 fs = 10-15 s) af fotoner med energier på 1.6 eV, dvs. væsentligt lavere end molekylets ioniseringsenergi på 7.6 eV. Ved ikke alt for korte laserpulser viser elektronspektrene gang på gang en eksponentiel opførsel med karakteristiske energier omkring 1 eV, hvilket præcist svarer til emission af elektroner fra et system med temperatur af størrelsesordenen 104 K [2]. Desuden forekommer der ikke nogen fragmentation af molekylet, selv ved pulsenergier der producerer dobbelt- og sågar trippelioniserede molekyler. Der forekommer heller ikke nogen termionisk emission i sædvanlig forstand. Gentager man eksperimenterne med C70 og andre tilstrækkeligt store molekyler, ser man samme opførsel.Alt dette var et radikalt brud med alt, som tidligere er blevet observeret for fotofysikken af C60. Forklaringen er eksistensen af en termisk proces af en speciel type, hvor kun elektronerne er varme og kan koge af. Som andre bundne elektroner har valenselektronerne i C60 en fart på typisk et par promille af lyshastigheden, hvilket betyder, at de bevæger sig frem og tilbage i molekylet på en lille brøkdel af et femtosekund. Det skal sammenlignes med de molekylære vibrationer, som har perioder på dusinvis eller hundredevis af femtosekunder. Der er derfor tid nok til, at elektronerne kan nå at leve deres eget liv, før atomkernerne bliver sat i sving. Der er også tid nok til at kollidere indbyrdes og skabe en gas af elektroner, der bedst kan karakteriseres som varm. Meget varm, faktisk. Den effektive temperatur efter absorption af 20 eV er af størrelsesordenen 1 eV, eller 104 K, hvilket netop svarer til den observerede typiske værdi i de eksponentielle spektre. Til sammenligning vil 20 eV varme C60 op med mindre end 1400 K, når energien bliver fordelt jævnt. Disse tal forklarer både ioniseringseffektiviteten og fraværet af fragmenter i ioniseringen. Med støtte i beregninger af den kvantemekaniske niveaustruktur for molekylet, kan man finde en elektronudsendelseskonstant som funktion af dets eksitationsenergi. Med det eksperimentelt observerede, energiafhængige ioniseringsudbytte kan man så bestemme denne koblingstid. Et fit af data giver 240 fs, dvs. samme størrelsesorden som vibrationsperioderne i molekylet [2].

En-foton picosekund elektronudsendelse
Et nærliggende spørgsmål var nu, om man ville se samme proces ved absorption af blot en enkelt foton med tilstrækkelig energi. For at se dette, leder man i eksperimenter (hvor man eksponerer molekyler for højenergtiske fotoner) efter emission af elektroner, der ikke opfører sig ifølge ligning (1). Nogle vil uvægerligt gøre det, ligesom også senere fragmentationsprocesser kan forekomme. Reaktionsskemaet bliver derfor ikke helt simpelt:

hvor Eel og Evib angiver, om eksitationsenergien fortrinsvist er elektronisk eller vibrationel. Der er tre processer, der producerer elektroner i dette skema. Processen vi betragter, er reaktionen langs skemaets øverste kant. De tre ioniseringsprocesser identificeres ved hjælp af elektronernes kinetiske energier. Den direkte ionisering giver toppe, der flytter sig opad med fotonenergien, termionisk ionisering giver termiske spektre, ligesom ”hot electron”-ioniseringen, men med betydeligt lavere temperaturer, typisk blot mellem 3000 og 3500 K for fullerenerne. ”Hot electron”-ionisering giver som nævnt spektre med temperaturer på en eller to eV. Det er i øvrigt grunden til den deciderede udanske betegnelse ”hot electron”. ”Varme elektroner” virker ikke helt dækkende for femcifrede elektrontemperaturer.Data fra et eksperiment ved synchrotronstråleringen Elettra ved Trieste er vist i figur 1 og 2 [3]. De er optaget med Velocity Map Imaging (VMI)-teknikken, der optager elektronernes impulskomposant parallelt med en positionsfølsom detektor.

Rådata er inverterede, så energispektrene ses direkte. Dette er gjort for den nederste række spektre, hvor man ser, at elektronspektrene bliver mere og mere lig Boltzmann-fordelinger med stigende fotonenergi. En anden signatur for hot electron-fænomenet er spektrenes symmetri for lave energier, hvor man ser, at intensiteten ikke afhænger af vinklen omkring spektrometerets akse, svarende til kuglesymmetriske impulsfordelinger. Direkte processer kan også give den opførsel, men normalt kun i begrænset omfang. Det afgørende signal for hot electron-ioniseringen er den permanente tilstedeværelse af de lavenergetiske elektroner i spektrene med den kuglesymmetriske impulsfordeling. Det er uanset, hvilken fotonenergi der beskydes med, så længe fotonenergien er over ca. 25 eV.Fotonenergier over ca. 50 eV giver et specielt rent signal for hot electrons. Udsendelse af en elektron med en energi på et par eV giver, sammen med ioniseringsenergien af C60 på 7.6 eV, en restenergi i ionen på mere end 40 eV. Denne energi forårsager unimolekylær fragmentation af den dannede ion, før den accelereres i flyvetidsmassespektrometeret. Fragmentationsprodukterne er C58+ og C56+, og ser man på elektronspektre fra disse ioner, er de næsten fri for baggrundstællinger. Skiftet fra detektion af C60+ til C58+ er vist i figur 2.

Disse resultater er alle opnået med C60. Der er ikke megen tvivl om, at fænomenet også er til stede i andre molekyler og i klynger. Specielt er metalklynger med deres delokaliserede valenselektroner et godt bud på andre små systemer, der kan ionisere på den beskrevne måde. Men det er en historie, der må fortælles en anden gang.

Referencer
1. A. Einstein, Ann. Phys. (Berlin) 322, 132 (1905).
2. K. Hansen, K. Hoffmann and E.E.B. Campbell, J. Chem. Phys. 119, 2513 (2003).
3. Klavs Hansen, Robert Richter, Michael Alagia, Stefano Stranges, Luca Schio, Peter Salén, Vasyl Yatsyna, Raimund Feifel, and Vitali Zhaunerchyk, Phys. Rev. Lett. 118, 103001 (2017).

Skrevet i: Energi

Seneste nyt fra redaktionen

Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

Top17. 09. 2025

Da vores redaktør, Hanne Christine Bertram, stopper, søger vi en redaktør til et af Danmarks ældste fagtidsskrifter, Dansk Kemi. Dansk Kemi bringer aktuel og dybdegående information om kemien og dens udvikling inden for industri, forskning og uddannelse. Bladet er desuden medlemsblad for Kemisk

Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

BranchenytTop10. 09. 2025

Lige fra morgenstunden stod de første besøgende klar til at komme ind på LabDays messen, der i år afholdes i smilets by, Aarhus. Her kunne de finde oplagte udstillere, der gennem messens to dage står klar til at præsentere deres produkter, der inkluderer alt indenfor laboratorieverdenen. Der ud

Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

AktueltArtikler fra Dansk Kemi03. 09. 2025

Fra myten om den heroiske beregning til realistiske simuleringer af elektronoverførsel i åbne systemer med hukommelse. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Lea K. Northcote1,2 og

Grøn kemi, affald og plast

AktueltArtikler fra Dansk KemiGrøn omstilling26. 08. 2025

Grøn kemi – læren om hvordan kemi udføres bæredygtigt og sikkert – bliver kun vigtigere. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Christine Brænder Almstrup og Mikael Bols, Kemisk

Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

AktueltArtikler fra Dansk KemiBiokemiBioteknologiMedicinalkemi20. 08. 2025

Riboflavin er et essentielt vitamin, der spiller en nøglerolle for vores sundhed samt for at opretholde et sundt tarmmikrobiom. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Emmelie Joe

Antibiotikaresistens i vores naturlige miljøer

AktueltArtikler fra Dansk KemiBiologi12. 08. 2025

Spredning af antibiotikaresistens kan ske via mineraloverflader. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Karina Krarup Svenninggaard Sand, associate professor, Globe Institute,

Nye metoder giver indsigt i plantebaseret strukturdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi04. 08. 2025

Et afsluttet ph.d.-projekt fra Institut for Fødevarer ved Aarhus Universitet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Julie Frost Dahl*, Sandra Beyer Gregersen og Milena Corredig,

Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi23. 06. 2025

Franz Hofmeister opløste æggehvide i vandige saltopløsninger. En artikel fra 1888 beskriver, hvordan nogle ioner får proteiner til at udfælde, mens andre ioner har den modsatte effekt. Fødevarekemien bruger stadig Hofmeister, men langt mere nuanceret. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3,

Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi17. 06. 2025

Hvis kløvergræs skal kunne anvendes som ny ressource til udvinding af fødevareproteiner, kan membranteknologi være vejen frem. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mette Lübeck, Mads

Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi09. 06. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I år fejrer man internt i IUPAC 20-året for offentliggørelsen af The Red Book (i det følgende blot "RB2005") med anbefalinger vedrørende

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Busch Vakuumteknik A/S

    OTTO Digital Services til systemer

  • DENIOS ApS

    Sådan får du op til 50 % mere lagerkapacitet

  • Holm & Halby

    VidensDage 2025: To dage med viden, visioner og værdi

  • Holm & Halby

    LAF kabinetter: Er du rustet til den nye EN12469 / Annex 1

  • Drifton

    Mød Drifton og DACOS på LabDays 2025 i Aarhus

  • DENIOS ApS

    Hvordan håndterer du noget, du ikke kan se?

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Vægtbytte er blevet opdateret: Nu får du flere muligheder

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Vacuum Solutions fremviser avancerede produkter fra Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions på LabDays

  • Dansk Laborant-Forening/HK

    LABORANTER CAND.ALT.

  • Kem-En-Tec Nordic

    Lad os fortsætte traditionen – vi ses på LabDays!

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

    17.09.2025

  • Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

    10.09.2025

  • Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

    03.09.2025

  • Grøn kemi, affald og plast

    26.08.2025

  • Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

    20.08.2025

  • Antibiotikaresistens i vores naturlige miljøer

    12.08.2025

  • Nye metoder giver indsigt i plantebaseret strukturdannelse

    04.08.2025

  • Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

    23.06.2025

  • Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

    17.06.2025

  • Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

    09.06.2025

  • Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

    02.06.2025

  • Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

    26.05.2025

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik