• 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

Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemiTop23. 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

Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

AktueltArtikler fra Dansk KemiGrøn omstilling02. 06. 2025

Hvor rent er CO2 fra CO2-fangst? Og hvor dyrt er det at oprense CO2? Denne artikel giver indsigt i nogle af udfordringerne ved at implementere en global CO2 infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø26. 05. 2025

Kontinuerlige, kvalitetssikrede målinger af kemiske, fysiske og biologiske miljøparametre giver uundværlig information. Det gælder også for Grønland. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

AktueltAnalytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi19. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

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

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi14. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

AktueltBranchenyt14. 05. 2025

Busch Group annoncerer, at deres brand centrotherm clean solutions bliver en del af Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions. Fra september 2025 vil gasreduktionssystemerne til Semicon-industrien, som tidligere blev tilbudt under dette mærke, blive integreret i Pfeiffer-porteføljen og fremover være

I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

Branchenyt14. 05. 2025

For blot fjerde gang i dette årtusinde uddeles Videnskabernes Selskabs Guldmedalje. Det sker i dag, hvor bakterieforsker Per Halkjær Nielsen, professor ved Institut for Kemi og Biovidenskab ved Aalborg Universitet, får den fine hæder for sit livsværk og sin holdånd. Han er manden, der kortlægger

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





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

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    NYHED: Her er fremtidens opbevaring af farlige stoffer

  • Busch Vakuumteknik A/S

    MRPC modtager “Innovation in Vacuum Busch Award”

  • DENIOS ApS

    Dette er, hvad der sker, når batterier bryder i brand

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Vacuum Solutions præsenterer den intelligente TYR PLUS kapselblæser

  • Dansk Laborant-Forening/HK

    Laboranter er nysgerrige på ny teknik

  • DENIOS ApS

    Sådan udnytter du den stille periode i sommerferien

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Sommer vedligeholdelsestips til din vakuumpumpe: 6 gode anbefalinger

  • DENIOS ApS

    Så er det sidste chance

  • DENIOS ApS

    Sikker tøndehåndtering starter her

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    LabDays Aarhus 2025 – SOLD OUT

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • 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

  • I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

    14.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

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