वैलेंस इलेक्ट्रॉनों, एक परमाणु के सबसे बाहरी खोल में स्थित, रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने और अन्य परमाणुओं के साथ बंधन बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
लेकिन इन कणों की इमेजिंग के रूप में वे इस काम को करते हैं, मुश्किल है। न केवल वैलेंस इलेक्ट्रॉन अविश्वसनीय रूप से छोटे हैं, वे भी फेमटोसेकंड्स के भीतर रासायनिक बांड बनाते हैं - एक सेकंड के मात्र चतुर्थांश।
अब, एनर्जी के स्लैक नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी विभाग में एक प्रयोग, पहली बार, उन्नत एक्स - किरण तकनीक को काटने के साथ - बढ़त सिमुलेशन और सिद्धांत के साथ एक रासायनिक प्रतिक्रिया के दौरान वास्तविक समय में एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन की गति के प्रभाव की छवि के साथ।
SLAC के अल्ट्राफास्ट Linac सुसंगत प्रकाश स्रोत (LCLS) से बेहद उज्ज्वल x - किरण दालों का उपयोग करते हुए, एक मल्टी - संस्थागत टीम ने एक एकल वैलेंस इलेक्ट्रॉन को ट्रैक किया क्योंकि यह एक अमोनिया अणु से हाइड्रोजन पृथक्करण को निर्देशित करता है।
परिणाम, पत्रिका में प्रकाशितभौतिक समीक्षा पत्र, वैज्ञानिकों को एक मौलिक स्तर पर रसायन विज्ञान को बेहतर ढंग से समझने और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के परिणामों को बेहतर तरीके से नियंत्रित करने में मदद कर सकता है। उस ज्ञान को, बदले में, अगले - पीढ़ी की सामग्री और प्रौद्योगिकियों को डिजाइन करने के लिए दोहन किया जा सकता है।
एक प्रतिक्रिया के दौरान एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन को ट्रैक करना
वैज्ञानिकों ने एक रासायनिक प्रतिक्रिया के दौरान एकल इलेक्ट्रॉन की गतियों को ट्रैक करने के लिए वर्षों से कोशिश की है। हालांकि, इस यात्रा को इमेजिंग कई स्तरों पर मायावी रहा है क्योंकि एक परमाणु के भीतर कई इलेक्ट्रॉनों से एकल इलेक्ट्रॉनों को अलग करना मुश्किल हो गया है, और यह बहुत तेज समय के भीतर ऐसा करना भी असंभव है, जिस पर रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं।
SLAC में, एक शोध टीम ने एक नए दृष्टिकोण की कोशिश करने का फैसला किया जिसमें सिद्धांत और प्रयोग दोनों शामिल थे। LCLs की शक्ति का उपयोग करते हुए, एक x - किरण लेजर, उन्होंने समय - का उपयोग किया X - किरण बिखरने - परमाणु स्तर पर इमेजिंग का एक रूप और Femtosecond के साथ जो कि इलेक्ट्रॉन वितरण को ट्रैक करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील है।
टीम का नेतृत्व इयान गेबल्स्की ने पीएच.डी. स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में छात्र, स्टैनफोर्ड पल्स इंस्टीट्यूट में प्रोफेसर फिलिप बक्सबाउम, और नन्ना लिस्ट, केटीएच रॉयल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, स्वीडन में सैद्धांतिक रसायन विज्ञान के एक सहायक प्रोफेसर, और बर्मिंघम विश्वविद्यालय में, यूके गेबल्स्की ने प्रयोग और डेटा विश्लेषण का नेतृत्व किया, जबकि सूची ने विकल्प और सिमुलेशन प्रदान किया, जो कि प्रतिक्रिया की पसंद प्रदान करता है और बाद में प्रतिक्रिया की पसंद प्रदान करता है। पुनर्व्यवस्थित।
इलेक्ट्रॉन गति के प्रभाव को ट्रैक करने के लिए, टीम ने उच्च - घनत्व अमोनिया का एक संलग्नक बनाया और इसे एक पराबैंगनी लेजर के साथ उत्साहित किया। जैसे ही लेजर गैस से गुजरा, x - LCLs से किरणों ने इलेक्ट्रॉनों को मारा और वापस बिखरे हुए। "और पूरी बात 500 फेमटोसेकंड के दौरान होती है," गेबल्स्की ने कहा।
अधिकांश अणुओं में, कोर इलेक्ट्रॉनों, जो कसकर परमाणुओं से बंधे होते हैं, बाहरी वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को पछाड़ते हैं। लेकिन अमोनिया जैसे छोटे और हल्के अणुओं में, जिसमें एक नाइट्रोजन परमाणु और तीन हाइड्रोजन परमाणु होते हैं, वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को मुख्य इलेक्ट्रॉनों से दूर कर दिया जाता है। इसका मतलब है कि X - वैलेंस इलेक्ट्रॉनों से किरण बिखरने का संकेत उन्हें ट्रैक करने के लिए पर्याप्त मजबूत है और "देखें" कि कैसे वे परमाणुओं की स्थिति का उल्लेख करते हुए भी चले गए।
वैज्ञानिकों को पहले से ही पता था कि फोटोएक्सिटेड अमोनिया एक संरचना से विकसित होता है जिसमें नाइट्रोजन और हाइड्रोजन परमाणु एक पिरामिड बनाते हैं जिसमें सभी परमाणु एक विमान में झूठ बोलते हैं। आखिरकार, हाइड्रोजेन में से एक इस प्लानर ज्यामिति से टूट जाता है और अणु को टुकड़े करता है। उनके x - रे बिखरने की तकनीक के साथ, शोधकर्ता इलेक्ट्रॉन गति को छवि बनाने में सक्षम थे जो इस परमाणु पुनर्व्यवस्था को निकालते थे।
सूची की गणना डेटा की व्याख्या करने के लिए महत्वपूर्ण थी। "आम तौर पर हमें यह अनुमान लगाना होता है कि वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को सीधे देखने के बजाय एक प्रतिक्रिया के दौरान कैसे चलते हैं, लेकिन यहां हम वास्तव में प्रत्यक्ष माप के माध्यम से उनके पुनर्व्यवस्था को देख सकते हैं," सूची ने कहा। "यह सिद्धांत और प्रयोग के बीच एक बहुत अच्छा सहयोग था।"
विभिन्न रासायनिक प्रतिक्रिया मार्गों के बाद
वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की गति को ट्रैक करना विभिन्न रास्तों में एक खिड़की भी प्रदान करता है जो रासायनिक प्रतिक्रियाएं ले सकते हैं, इलेक्ट्रॉनिक गति द्वारा संचालित।
"यदि आप एक नई दवा या सामग्री के लिए एक अणु को संश्लेषित करने की कोशिश कर रहे हैं, तो वे रासायनिक प्रतिक्रियाएं हमेशा वांछित और अवांछित दोनों मार्गों में शाखा में जा रही हैं," गेबल्स्की ने कहा। "जब यह आपके इच्छित तरीके से नहीं जाता है, तो यह बायप्रोडक्ट्स बनाता है। इसलिए, यदि आप समझते हैं कि यह कैसे काम करता है, तो आप यह पता लगा सकते हैं कि उस प्रतिक्रिया को उस दिशा में कैसे चलाना है जो आप चाहते हैं। यह सामान्य रूप से रसायन विज्ञान के लिए एक बहुत शक्तिशाली उपकरण हो सकता है।"
टीम को और भी बेहतर छवियों को पकड़ने के लिए अपनी तकनीकों को परिष्कृत करना जारी रखने की उम्मीद है, विशेष रूप से हाल ही में एलसीएलएस अपग्रेड के बाद भी अधिक शक्तिशाली x - रे बीम्स के साथ।
"हम कोर इलेक्ट्रॉन पृष्ठभूमि के समुद्र में इन वैलेंस इलेक्ट्रॉन संकेतों को देख सकते हैं, जो कई नए रास्ते खोलते हैं," सूची ने कहा। "यह अवधारणा का एक प्रमाण था जिसने हमें उन चीजों को देखने की कोशिश करने के लिए प्रेरित किया है जिन्हें हम पहले नहीं देख पाए थे।"
