Межатомный кулоновский распад
Межатомный кулоновский распад ( МКД ) [ 1 ] — это общее, фундаментальное свойство атомов и молекул , имеющих соседей. Межатомный (межмолекулярный) кулоновский распад — это очень эффективный процесс межатомной (межмолекулярной) релаксации электронно-возбужденного атома или молекулы, внедренной в окружающую среду. Без окружающей среды этот процесс не может происходить. До сих пор это было продемонстрировано в основном для атомных и молекулярных кластеров , независимо от того, относятся ли они к ван-дер-ваальсовскому типу или к водородно-связанному типу.
Природу процесса можно изобразить следующим образом: рассмотрим кластер с двумя A и B. субъединицами что внутренний валентный электрон удален из субъединицы A. Предположим , Если образовавшееся (ионизированное) состояние по энергии выше порога двойной ионизации субъединицы А, то начинается внутриатомный (внутримолекулярный) процесс ( автоионизация , в случае оже -распада остовной ионизации ). Даже несмотря на то, что возбуждение энергетически не превышает порог двойной ионизации самой субъединицы А может быть выше порога двойной ионизации кластера, который снижается из-за разделения зарядов . В этом случае запускается межатомный (межмолекулярный) процесс, который называется МКБ. Во время ICD избыточная энергия субъединицы A используется для удаления (благодаря электронной корреляции электрона внешней валентности из субъединицы B. ) В результате образуется дважды ионизированный кластер с единственным положительным зарядом A и B. на Таким образом, разделение зарядов в конечном состоянии является характерным признаком ИКД. В результате разделения зарядов кластер обычно распадается через Кулоновский взрыв .
ИКД характеризуется скоростью затухания или временем жизни возбужденного состояния. Скорость распада зависит от межатомного (межмолекулярного) расстояния А и В и ее зависимость позволяет сделать выводы о механизме МКБ. [ 2 ] Особенно важным является определение кинетической энергии спектра электрона, испускаемого субъединицей B, который обозначается как электрон ICD. [ 3 ] Электроны ИКД часто измеряются в экспериментах с ИКД. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Обычно ИКД происходит в фемтосекундном масштабе времени, [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] на много порядков быстрее, чем конкурирующее излучение фотонов и другие процессы релаксации.
ИКД в воде
[ редактировать ]Совсем недавно было установлено, что ICD является дополнительным источником электронов низкой энергии в воде. [ 10 ] и водные кластеры . [ 11 ] [ 12 ] Там ICD происходит быстрее, чем конкурирующий перенос протона , который обычно является основным путем в случае электронного возбуждения кластеров воды. Реакция конденсированной воды на электронные возбуждения имеет первостепенное значение для биологических систем. Например, в экспериментах было показано, что электроны низкой энергии действительно эффективно влияют на составляющие ДНК . Кроме того, сообщалось о ICD после остовно-электронных возбуждений гидроксида в растворенной воде. [ 13 ]
Связанные процессы
[ редактировать ]Межатомные (межмолекулярные) процессы происходят не только после ионизации , как описано выше. Независимо от того, какой тип электронного возбуждения имеется, межатомный (межмолекулярный) процесс может начаться, если атом или молекула находится в состоянии, энергетически превышающем порог ионизации других атомов или молекул, находящихся по соседству. Известны следующие процессы, связанные с МКБ, которые для удобства рассмотрены ниже для кластеров:
- Резонансное межатомное кулоновское взаимодействие (RICD) было впервые подтверждено экспериментально. [ 14 ] Этот процесс возникает в результате внутреннего валентного возбуждения, при котором электрон внутренней валентности переходит на виртуальную орбиталь . В ходе этого процесса вакантное внутреннее валентное пятно заполняется электроном внешней валентности той же субъединицы или электроном на виртуальной орбитали. Следующее действие называется RICD, если в предыдущем процессе генерируемая избыточная энергия удаляет электрон внешней валентности из другого компонента кластера. С другой стороны, избыточная энергия также может быть использована для удаления электрона внешней валентности из той же субъединицы ( автоионизация ). Следовательно, RICD конкурирует не только с медленным радиационным распадом, как ICD, но и с эффективной автоионизацией. Оба экспериментальные [ 15 ] и теоретический [ 16 ] данные показывают, что эта конкуренция не приводит к подавлению RICD.
- Каскад Оже-ИКД впервые был предсказан теоретически. [ 17 ] Состояния с вакансией ядра-оболочки обычно подвергаются оже-распаду. Этот распад часто приводит к образованию двойных ионизированных состояний, которые иногда могут распадаться в результате другого оже-распада, образуя так называемый оже-каскад . Однако часто двойное ионизированное состояние не имеет достаточно высокой энергии, чтобы снова внутриатомно распасться. В таких условиях формирование каскада распада у изолированных видов невозможно, но может происходить в кластерах, следующим этапом которых является МКБ. Тем временем каскад Оже-ИКД был подтвержден и изучен экспериментально. [ 18 ]
- Возбуждение-перенос-ионизация (ETI) - это безызлучательный путь распада внешневалентных возбуждений в окружающей среде. [ 19 ] Предположим, что внешний валентный электрон субъединицы кластера переходит на виртуальную орбиталь. У изолированных видов это возбуждение обычно может лишь медленно затухать за счет испускания фотонов . В кластере существует дополнительный, гораздо более эффективный путь, если порог ионизации другого компонента кластера ниже энергии возбуждения. Затем избыточная энергия возбуждения передается межатомно (межмолекулярно) для удаления внешневалентного электрона из другой субъединицы кластера с порогом ионизации ниже энергии возбуждения. Обычно этот межатомный (межмолекулярный) процесс также происходит в течение нескольких фемтосекунд.
- Распад с переносом электрона (ETMD) [ 20 ] это безызлучательный путь распада, при котором вакансия в атоме или молекуле заполняется электроном соседнего вида; вторичный электрон испускается либо первым атомом/молекулой, либо соседними частицами. Существование этого механизма распада было доказано экспериментально на димерах аргона. [ 21 ] и в смешанных аргоно-криптоновых кластерах. [ 22 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Л. С. Цедербаум; Дж. Зобелей; Ф. Тарантелли (1997). «Гигантский межмолекулярный распад и фрагментация кластеров». Физ. Преподобный Летт . 79 (24): 4778–4781. Бибкод : 1997PhRvL..79.4778C . doi : 10.1103/PhysRevLett.79.4778 . S2CID 55787878 .
- ^ В. Авербух; И.Б. Мюллер; Л.С. Цедербаум (2004). «Механизм межатомного кулоновского распада в кластерах». Физ. Преподобный Летт . 93 (26): 263002–263005. Бибкод : 2004PhRvL..93z3002A . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.263002 . ПМИД 15697975 .
- ^ Р. Сантра; Дж. Зобелей; Л. С. Цедербаум; Н. Моисеев (2000). «Межатомный кулоновский распад в кластерах Ван-дер-Ваальса и влияние ядерного движения». Физ. Преподобный Летт . 85 (21): 4490–4493. Бибкод : 2000PhRvL..85.4490S . doi : 10.1103/PhysRevLett.85.4490 . ПМИД 11082578 .
- ^ С. Марбургер; О. Кугелер; У. Хергенхан; Т. Мёллер (2003). «Экспериментальные доказательства межатомного кулоновского распада в кластерах Ne» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 90 (20): 203401–203404. Бибкод : 2003PhRvL..90t3401M . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.203401 . hdl : 11858/00-001M-0000-0011-1035-1 . ПМИД 12785891 .
- ^ Т. Янке; А. Чаш; М. С. Шеффлер; С. Шёсслер; А. Кнапп; М. Кэш; Дж. Титце; К. Виммер; К. Крейди; РЭ Гризенти; А. Штаудте; О. Ягуцкий; У. Хергенхан; Х. Шмидт-Бёкинг; Р. Дёрнер (2004). «Экспериментальное наблюдение межатомного кулоновского распада в димерах неона». Физ. Преподобный Летт . 93 (16): 163401–163404. Стартовый код : 2004PhRvL..93p3401J . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.163401 . ПМИД 15524986 .
- ^ Г. Орвалль; М. Чаплыгин; М. Лундвалл; Р. Фейфель; Х. Бергерсен; Т. Рандер; А. Линдблад; Дж. Шульц; С. Передков; С. Барт; С. Марбургер; У. Хергенхан; С. Свенссон; О. Бьёрнехольм (2004). «Фемтосекундный межатомный кулоновский распад в кластерах свободного неона: большие различия во времени жизни между поверхностью и объемом». Физ. Преподобный Летт . 93 (17): 173401–173404. Бибкод : 2004PhRvL..93q3401O . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.173401 . ПМИД 15525075 .
- ^ Р. Сантра; Дж. Зобелей; Л.С. Цедербаум (2001). «Электронный распад валентных дырок в кластерах и конденсированном состоянии». Физ. Преподобный Б. 64 (24): 245104. Бибкод : 2001PhRvB..64x5104S . дои : 10.1103/PhysRevB.64.245104 .
- ^ В. Авербух; Л. С. Цедербаум (2006). «Межатомный электронный распад в эндоэдральных фуллеренах». Физ. Преподобный Летт . 96 (5): 053401–053404. Бибкод : 2006PhRvL..96e3401A . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.053401 . ПМИД 16486927 .
- ^ А.И. Кулефф; Л.С. Цедербаум (2007). «Отслеживание сверхбыстрых процессов межатомного электронного распада в реальном времени и пространстве». Физ. Преподобный Летт . 98 (8): 083201. arXiv : физика/0612061 . Бибкод : 2007PhRvL..98h3201K . doi : 10.1103/PhysRevLett.98.083201 . ПМИД 17359096 . S2CID 19843283 .
- ^ П. Чжан; К. Перри; ТТ Луу; Д. Мацелюх; Х. Дж. Вернер (2022). «Межмолекулярный кулоновский распад в жидкой воде» . Письма о физических отзывах . 128 (13): 133001. doi : 10.1103/PhysRevLett.128.133001 . hdl : 20.500.11850/542563 .
- ^ Т. Янке; Х. Санн; Т. Хавермайер; К. Крейди; С. Штукатурка; М. Меккель; М. Шеффлер; Н. Нейман; Р. Валлауэр; С. Восс; А. Чаш; О. Ягуцкий; А. Малакзаде; Ф. Афане; Вебер; Х. Шмидт-Бёкинг; Р. Дёрнер (2010). «Сверхбыстрая передача энергии между молекулами воды» . Физика природы . 6 (2): 139–142. Бибкод : 2010NatPh...6..139J . дои : 10.1038/nphys1498 .
- ^ М. Муке; М. Брауне; С. Барт; М. Фёрстель; Т. Лишке; В. Ульрих; Т. Арион; У. Беккер; Брэдшоу; У. Хергенхан (2010). «До сих пор непризнанный источник низкоэнергетических электронов в воде» . Физика природы . 6 (2): 143–146. Бибкод : 2010НатФ...6..143М . дои : 10.1038/nphys1500 . hdl : 11858/00-001M-0000-0026-EEB7-9 .
- ^ Э. Ф. Азиз; Н. Оттоссон; М. Фобель; И.В. Гертель; Б. Винтер (2008). «Взаимодействие жидкой воды и гидроксида, выявленное путем снятия возбуждения керна». Природа . 455 (7209): 89–91. Бибкод : 2008Natur.455...89A . дои : 10.1038/nature07252 . ПМИД 18769437 . S2CID 4425518 .
- ^ С. Барт; С. Джоши; С. Марбургер; В. Ульрих; А. Линдблад; Г. Орвалль; О. Бьернехольм; У. Хергенхан (2005). «Наблюдение резонансного межатомного кулоновского распада в кластерах Ne». Дж. Хим. Физ . 122 (24): 241102. Бибкод : 2005JChPh.122x1102B . дои : 10.1063/1.1937395 . ПМИД 16035737 .
- ^ Т. Аото; К. Ито; Ю. Хикосака; Э. Сигэмаса; Ф. Пенент; П. Лабланки (2006). «Свойства резонансного межатомного кулоновского распада в димерах Ne». Физ. Преподобный Летт . 97 (24): 243401–243404. Бибкод : 2006PhRvL..97x3401A . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.243401 . ПМИД 17280282 .
- ^ С. Копельке; К. Гохберг; Л. С. Цедербаум; В. Авербух (2009). «Расчет резонансных межатомных кулоновских ширин распада внутренне-валентно-возбужденных состояний, делокализованных вследствие инверсионной симметрии». Дж. Хим. Физ . 130 (14): 144103. Бибкод : 2009JChPh.130n4103K . дои : 10.1063/1.3109988 . ПМИД 19368425 .
- ^ Р. Сантра; Л. С. Цедербаум (2003). «Кулоновский перенос энергии и тройная ионизация в кластерах». Физ. Преподобный Летт . 90 (15): 153401. arXiv : физика/0303068 . Бибкод : 2003PhRvL..90o3401S . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.153401 . ПМИД 12732036 . S2CID 6157140 .
- ^ Ю. Моришита; Х.-Ж. Лю; Н. Сайто; Т. Лишке; М. Като; Г. Прюмпер; М. Оура; Х. Ямаока; Ю. Таменори; IH Сузуки; К. Уэда (2006). «Экспериментальное свидетельство межатомного кулоновского распада из конечных оже-состояний в димерах аргона». Физ. Преподобный Летт . 96 (24): 243402–243405. Бибкод : 2006PhRvL..96x3402M . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.243402 . ПМИД 16907240 .
- ^ К. Гохберг; А.Б. Трофимов; Т. Зоммерфельд; Л. С. Цедербаум (2005). «Ионизация атомов металлов после валентного возбуждения соседних молекул». Еврофиз. Летт . 72 (2): 228. Бибкод : 2005EL.....72..228G . дои : 10.1209/epl/i2005-10227-7 . S2CID 250739878 .
- ^ Дж. Зобелей; Р. Сантра; Л.С. Цедербаум (2001). «Электронный распад в слабосвязанных гетерокластерах: перенос энергии против переноса электрона». Дж. Хим. Физ . 115 (11): 5076. Бибкод : 2001JChPh.115.5076Z . дои : 10.1063/1.1395555 .
- ^ К. Сакаи; С. Стойчев; Т. Оучи; И. Хигучи; М. Шеффлер; Т. Мацца; Х. Фукудзава; К. Нагая; М. Яо; Ю. Таменори; А.И. Кулефф; Н. Сайто; К. Уэда (2011). «Распад с переносом электрона и межатомный кулоновский распад из трижды ионизированных состояний в димерах аргона». Физ. Преподобный Летт . 106 (3): 033401. Бибкод : 2011PhRvL.106c3401S . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.033401 . ПМИД 21405272 .
- ^ М. Фёрстель; М. Муке; Т. Арион; А. М. Брэдшоу; У. Хергенхан (2011). «Автоионизация, опосредованная переносом электрона» . Физ. Преподобный Летт . 106 (3): 033402. Бибкод : 2011PhRvL.106c3402F . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.033402 . ПМИД 21405273 .