تجزیه‌ سرعت‌بالای مولکول‌ها در BESSY II بررسی شد

تحقیقات جدید در BESSY II: تجزیه مولکول‌های سنگین تحت تابش اشعه ایکس

برای اولین بار، یک تیم بین‌المللی در BESSY II توانسته است نحوه تجزیه مولکول‌های سنگین، در این مورد بروموکلرو متان، را هنگام جذب نور اشعه ایکس پیگیری کند. با استفاده از یک روش تحلیلی جدید، آن‌ها توانستند دینامیک فوق‌سریع این فرآیند را مشاهده کنند.

در این فرآیند، فوتون‌های اشعه ایکس یک “اثر کاتاپولتی مولکولی” را ایجاد می‌کنند: گروه‌های اتمی سبک ابتدا پرتاب می‌شوند، مشابه پروژه‌هایی که از یک کاتاپولت شلیک می‌شوند، در حالی که اتم‌های سنگین‌تر مانند برم و کلر به آرامی جدا می‌شوند.

زمانی که الاشعه ایکس به مولکول‌ها برخورد می‌کند، می‌تواند الکترون‌ها را از برخی اوربیتال‌ها خارج کرده و به حالت‌های انرژی بسیار بالا منتقل کند که این امر منجر به شکستن پیوندهای شیمیایی می‌شود. این فرآیند معمولاً به‌طور فوق‌سریع، در عرض چند فمتوثانیه (۱۰^-۱۵ ثانیه) اتفاق می‌افتد.

در حالی که این پدیده در مولکول‌های سبک مانند آمونیاک، اکسیژن، اسید هیدروکلریک یا ترکیبات ساده کربن مورد مطالعه قرار گرفته است، اما در مولکول‌هایی با اتم‌های سنگین‌تر به‌ندرت بررسی شده است. اکنون یک تیم از فرانسه و آلمان به مطالعه تجزیه سریع مولکول‌های حاوی هالوژن‌ها پرداخته است. آن‌ها بر روی مولکولی تمرکز کردند که اتم‌های برم و کلر توسط یک پل سبک، یعنی یک گروه آلکنی (CH2)، به هم متصل هستند.

این اندازه‌گیری‌ها در خط پرتو XUV در BESSY II انجام شده است.

تحلیل جدید از شکستن پیوندهای مولکولی با تابش پرتو ایکس

جذب پرتوهای ایکس باعث شکست پیوندهای مولکولی شد و این امر موجب ایجاد تکه‌های یونی قابل تحلیل گردید. دانشمندان توانستند با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری، تصویری از این فرآیند تولید کنند. این تصویر نشان می‌دهد که اتم‌ها چگونه در حالت‌های میانی گذرا، درست قبل از شکست پیوندها، حرکت می‌کنند.

برای این کار، تیم تحقیقاتی یک روش جدید تحلیل به نام IPA (میانگین جفت یونی) توسعه داد و آن را با محاسبات نظری ab initio ترکیب کرد تا فرآیندها را بازسازی کند. نتایج نشان می‌دهد که گروه‌های سبک اتمی مانند CH2 ابتدا پرتاب می‌شوند، در حالی که اتم‌های سنگین‌تر مانند برم و کلر باقی می‌مانند و بنابراین جدا شدن آن‌ها به آرامی صورت می‌گیرد.

جالب است که این رفتار شبیه به کاتاپولت، تنها در انرژی‌های خاص پرتو ایکس رخ می‌دهد. شبیه‌سازی‌های نظری که با مشاهدات تجربی همخوانی دارند، نقش حیاتی ارتعاشات گروه‌های سبک اتمی را در تحریک این واکنش‌های فوق‌سریع تأکید می‌کنند. دکتر اوکسانا تراوینیکوا (CNRS، دانشگاه سوربن، فرانسه)، نویسنده اول این مطالعه که اکنون در J. Phys. Chem. Lett منتشر شده است، می‌گوید: “این مطالعه دینامیک منحصر به فرد تجزیه مولکولی تحت تابش پرتو ایکس را برجسته می‌کند.”

به‌ویژه، این مطالعه نشان می‌دهد که حرکت شبیه به کاتاپولت گروه‌های سبک، جدایی تکه‌های سنگین را آغاز می‌کند؛ فرآیندی که در زمانی به‌طور شگفت‌انگیز کوتاه رخ می‌دهد. این یافته‌ها می‌توانند درک ما از واکنش‌های شیمیایی در سطح مولکولی و تأثیر تابش با انرژی بالا بر مولکول‌های پیچیده را عمیق‌تر کنند.