Electronic state dependence in dissociation of core-excited water

Abstract (Swedish)

Vattenmolekyler som spricker

Sönderslagning av vattenmolekyler med hjälp av intensivt ljus har haft avgörande betydelse för evolutionen och därmed för människan och världen. Vatten finns överallt omkring oss, och så har det varit under nästan hela jordens historia. Detta examensarbete undersöker hur det går till när kemiska bindningar i vattenmolekylen bryts på grund av intensiv röntgenstrålning.

Vattenmolekylen, som är den minsta byggstenen i vatten, består av två väteatomer och en syreatom. Atomerna är hårt bundna till varandra. När vattenmolekylen bryts sönder bildas mindre fragment. En av produkterna man kan få av vattenmolekyler är vätgas. Väteatomerna, som är mycket små och lätta, är en tiondel av vattnets vikt. Vätgas kan separeras från vattenmolekylen genom kemiska reaktioner. Redan idag finns det bilar och bussar som tankas med vätgas istället för bensin, etanol och biogas.

För att få väte att släppa från vattenmolekylen måste man påverka de bindningar som håller ihop molekylen. En vattenmolekyl är mycket stabil, men ljus och strålning kan påverka dess inre struktur. Den kan byta form. Om man väljer strålning med rätt energi kan en bindning brytas och en väteatom blir fri. Fria väteatomer betyder att man kan utvinna vätgas. Den avgörande frågan är då när ljuset eller strålningen har precis den energi som behövs.

I detta examensarbete har jag specifikt undersökt vad som händer när man bestrålar vattenmolekyler med röntgenstrålning med olika energi. En röntgenstråle är en mycket intensiv stråle av ljuspartiklar, fotoner. Varje foton bär med sig en liten men mycket bestämd mängd energi. När en lämplig foton träffar en vattenmolekyl kan molekylen ta över fotonens energi. En molekyl med överskottsenergi gör den sig snabbt av med den. Den kan göra sig av med en partikel, ofta en foton eller en elektron. Ibland gör sig syreatomen av med en eller båda sina väteatomer. Det experiment jag gjort mäter när detta händer och exakt hur fragmenten ser ut.

Experimentet gjordes på forskningsanläggningen MAX-lab. Där kan vi generera en mycket stark röntgenstråle där alla fotoner har den energi som vi bestämmer. Det betyder att när en vattenmolekyl träffas av fotonen vet vi precis hur mycket överskottsenergi molekylen får. Vi varierar energin och mäter samtidigt hur molekylen beter sig. När molekylen gör sig av med en elektron så mäter vi dess egen energi. Samtidigt mäter vi vilka fragment som bildas. Man kan alltså mäta om vi får fria väteatomer eller inte. Farten på elektronen gör att vi kan se hur mycket överskottsenergi som finns kvar i fragmenten. All denna information är pusselbitar i ett detektivarbete där experimentets resultat ska kopplas till teoretiska beräkningar av hur en vattenmolekyl sitter ihop. Man kan säga att vi plockar isär vattenmolekylen för att se hur den ser ut på insidan.

Abstract

Water (H2O) is the most studied molecule in the history of science. Yet many things remain unknown about its nuclear motion and decay. In recent years some studies have been made on the behavior of core-excited water molecules and its subsequent Auger decay and dissociation. Particular attention has been drawn to the ultra-fast dissociation channel H2O* -> H + O*H, which occurs on a femtosecond time-scale in the H2O*(O1s^(-1)4a1^1) core-excited state. This study concerns the outcome of an electron energy resolved electron--ion coincidence (PEPICO) measurement on core-excited water . The experiments were carried out at the I411 beamline at the MAX II synchrotron in Lund. A setup consisting of a time-of-flight ion spectrometer and an electron energy analyser was used to measure the energy of Auger electrons in coincidence with the resulting ion fragments from the decay. Although this method implies intriguing features, issues concerning false coincidences and detector resolution leave room for improvement. The report discusses possible improvements of the experimental method and data analysis. We verify that ultra-fast dissociation channels exist, and we are able to directly observe the associated Auger decay O*H -> OH^+ + e^- in coincidence with the OH+ ionic fragments. In the same Auger electron energy region we study the spectator Auger decay to anti-bonding H2O+ electronic states. We find a state-specific effect where the intermediate state H2O*(O1s^(-1)2b2^1) has a strong preference for decay to states dissociating to OH + H+ , whereas H2O*(O1s^(-1)4a1^1).

• author: Stråhlman, Christian
• supervisor: Anna Sankari
• organization: Synchrotron Radiation Research
• course: FYSM31 20111
• year: 2011
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 1988390
• date added to LUP: 2011-06-28 12:39:06
• date last changed: 2011-07-11 09:56:06