ДИНАМИКА ФОТОДИССОЦИАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННО ОРИЕНТИРОВАННЫХ МОЛЕКУЛ ПО ДАННЫМ МЕТОДА ДИФРАКЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ С ВРЕМЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ
Аннотация
Анизотропные ансамбли лазерно-возбужденных молекул могут быть образованы, например, под действием фемтосекундных импульсов поляризованного лазерного излучения. Теоретически предсказано, что дифракционные картины, полученные для пространственно ориентированных молекул в газовой фазе, позволяют определять не только межъядерные расстояния, но и валентные углы – 3D структуру молекулы. В настоящей статье предложены основные элементы теории, которые могут быть использованы для анализа экспериментальных данных метода дифракции электронов с временным разрешением, полученных для пространственно ориентированных/выровненных лазерно-возбужденных молекул. Этот формализм применим для исследования процессов диссоциации и ядерной динамики процессов фотодиссоциации. Теория иллюстрируется моделированием интенсивностей рассеяния для фотоиндуцированной диссоциации молекул ICN. Рассчитаны зависящие от времени интенсивности молекулярного рассеяния и соответствующие функции радиального распределения межъядерных расстояний в процессах фотодиссоциации ICN. На основе модельных расчетов, представленных в этой статье, возможно сделать заключение о том, что метод дифракции электронов с временным разрешением даёт принципиальную возможность изучения когерентной динамики фотодиссоциации в реальном масштабе времени, значительно меньшем, чем длительность зондирующего электронного импульса 300 фс, что достигается в настоящее время в ряде экспериментов, выполненных методом дифракции электронов с временным разрешением. Полученные результаты сопоставлены с данными предыдущих модельных исследований неупорядоченных, а также ориентированных ансамблей двухатомных молекул.
Для цитирования:
Шефер Л., Ищенко А.А., Жабанов Ю.А., Отлётов А.А., Гиричев Г.В. Динамика фотодиссоциации пространствен-но ориентированных молекул по данным метода дифракции электронов с временным разрешением. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2017. Т. 60. Вып. 3. С. 4-14.
Литература
Zewail A.H. Femtochemistry: Ultrafast Dynamics of the Chemical Bond. Singapore: World Scientific Publishing Company. 1994. 604 p. DOI: 10.1142/9789814287609_0001.
Zewail A.H. Femtochemistry: Recent Progress in Studies of Dynamics and Control of Reactions and Their Transition States. J. Phys. Chem. 1996. V. 100. N 31. P. 12701-12724. DOI: 10.1021/jp960658s.
Zewail A.H. The Nobel Prizes 1999 Les Prix Nobel: Nobel Prizes, Presentations, Biographies, and Lectures. Stockholm: Almquiest & Wiksell Intl. 2000. 315 p.
Zewail A.H. Femtochemistry: Atomic-Scale Dynamics of the Chemical Bond. J. Phys. Chem. A. 2000. V. 104. N 24. P. 5660-5694. DOI: 10.1021/jp001460h.
Buchachenko A.L. Chemistry on the border of two centuries ‒ achievements and prospects. Russ. Chem. Rev. 1999. V. 68. N 2. P. 85. DOI: 10.1070/RC1999v068n02ABEH000487.
Neutze R., Wouts R., van der Spoel D., Weckert E., Hajdu J. Potential for biomolecular imaging with femtosecond X-ray pulses. Nature. 2000. V. 406. N 6797. P. 752-757. DOI: 10.1038/35021099.
Chapman H.N., Barty A., Bogan M.J., Boutet S., Frank M., Hau-Riege S.P., Marchesini S., Woods B.W., Bajt S., Benner W.H., London R.A., Plonjes E., Kuhlmann M., Treusch R., Dusterer S., Tschentscher T., Schneider J.R., Spiller E., Moller T., Bostedt C., Hoener M., Shapiro D.A., Hodgson K.O., van der Spoel D., Burmeister F., Bergh M., Caleman C., Huldt G., Seibert M.M., Maia F.R.N.C., Lee R.W., Szoke A., Timneanu N., Hajdu J. Femtosecond diffractive imaging with a soft-X-ray free-electron laser. Nat Phys. 2006. V. 2. N 12. P. 839-843.
Bogan M.J., Benner W.H., Boutet S., Rohner U., Frank M., Barty A., Seibert M.M., Maia F., Marchesini S., Bajt S., Woods B., Riot V., Hau-Riege S.P., Svenda M., Marklund E., Spiller E., Hajdu J., Chapman H.N. Single Particle X-ray Diffractive Imaging. Nano Letters. 2008. V. 8. N 1. P. 310-316. DOI: 10.1021/nl072728k.
Bogan M.J., Starodub D., Hampton C.Y., Sierra R.G. Single-particle coherent diffractive imaging with a soft x-ray free elec-tron laser: towards soot aerosol morphology. J. Phys. B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 2010. V. 43.
N 19. P. 194013. DOI: 10.1088/0953-4075/43/19/194013.
Yoon C.H., Schwander P., Abergel C., Andersson I., Andreasson J., Aquila A., Bajt S., Barthelmess M., Barty A., Bogan M.J., Bostedt C., Bozek J., Chapman H.N., Claverie J.-M., Coppola N., DePonte D.P., Ekeberg T., Epp S.W., Erk B., Fleckenstein H., Foucar L., Graafsma H., Gumprecht L., Hajdu J., Hampton C.Y., Hartmann A., Hartmann E., Hart-mann R., Hauser G., Hirsemann H., Holl P., Kassemeyer S., Kimmel N., Kiskinova M., Liang M., Loh N.-T.D., Lomb L., Maia F.R.N.C., Martin A.V., Nass K., Pedersoli E., Reich C., Rolles D., Rudek B., Rudenko A., Schlichting I., Schulz J., Seibert M., Seltzer V., Shoeman R.L., Sierra R.G., Soltau H., Starodub D., Steinbrener J., Stier G., Strüder L., Svenda M., Ullrich J., Weidenspointner G., White T.A., Wunderer C., Ourmazd A. Unsupervised classification of single-particle X-ray diffraction snapshots by spectral clustering. Opt. Express. 2011. V. 19. N 17. P. 16542-16549. DOI: 10.1364/OE.19.016542.
Ewbank J.D., Schäfer L., Ischenko A.A. Structural and vibrational kinetics of photoexcitation processes using time resolved electron diffraction. J. Mol. Struct. 2000. V. 524. N 1–3. P. 1-49. DOI: 10.1016/S0022-2860(99)00419-6.
Baskin J.S., Zewail A.H. Ultrafast Electron Diffraction: Oriented Molecular Structures in Space and Time. ChemPhysChem. 2005. V. 6. N 11. P. 2261-2276. DOI: 10.1002/cphc.200500331.
Ischenko A.A., Schäfer L., Ewbank J.D. Structural kinetics by time-resolved gas electron diffraction: coherent nuclear dynamics in laser excited spatially anisotropic molecular ensembles. J. Mol. Struct. 1996. V. 376. N 1. P. 157-171. DOI: 10.1016/0022-2860(95)09073-8.
Ryu S., Stratt R.M., Weber P.M. Diffraction Signals of Aligned Molecules in the Gas Phase: Tetrazine in Intense Laser Fields. J. Phys. Chem. A. 2003. V. 107. N 34. P. 6622-6629. DOI: 10.1021/jp0304632.
Ryu S., Stratt R.M., Baeck K.K., Weber P.M. Electron Diffraction of Molecules in Specific Quantum States: A Theoretical Study of Vibronically Excited s-Tetrazine. J. Phys. Chem. A. 2004. V. 108. N 7. P. 1189-1199. DOI: 10.1021/jp031061x.
Ryu S., Weber P.M., Stratt R.M. The diffraction signatures of individual vibrational modes in polyatomic molecules. J. Chem. Phys. 2000. V. 112. N 3. P. 1260-1270. DOI: 10.1063/1.480678.
Williamson J.C., Zewail A.H. Ultrafast Electron Diffraction. 4. Molecular Structures and Coherent Dynamics. J. Phys. Chem. 1994. V. 98. N 11. P. 2766-2781. DOI: 10.1021/j100062a010.
Hoshina K., Yamanouchi K., Ohshima T., Ose Y., Todokoro H. Direct observation of molecular alignment in an intense laser field by pulsed gas electron diffraction I: observation of anisotropic diffraction image. Chem. Phys. Lett. 2002. V. 353. N 1–2. P. 27-32. DOI: 10.1016/S0009-2614(01)01460-9.
Hoshina K., Yamanouchi K., Ohshima T., Ose Y., Todokoro H. Alignment of CS2 in intense nanosecond laser fields probed by pulsed gas electron diffraction. J. Chem. Phys. 2003. V. 118. N 14. P. 6211-6221. DOI: 10.1063/1.1557934.
Spence J.C.H., Doak R.B. Single Molecule Diffraction. Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. N 19. P. 198102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.92.198102.
Shafer L., Ischenko A.A., Zhabanov Yu.A., Otlyotov A.A., Girichev G.V. Photodissociation Dynamics of Randomly Orient-ed Molecular Ensembles by Time-Resolved Electron Diffraction. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2016. V. 59. N 12. P. 22-31 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.20165912.5514.
Bergsma J.P., Coladonato M.H., Edelsten P.M., Kahn J.D., Wilson K.R., Fredkin D.R. Transient x‐ray scattering calculated from molecular dynamics. J. Chem. Phys. 1986. V. 84. N 11. P. 6151-6160. DOI: 10.1063/1.450756.
Zare R.N. Angular momentum: understanding spatial aspects in chemistry and physics. New York – Singapore: Wiley. 1988. 368 p.
Choi S.E., Bernstein R.B. Theory of oriented symmetric‐top molecule beams: Precession, degree of orientation, and photofrag-mentation of rotationally state‐selected molecules. J. Chem. Phys. 1986. V. 85. N 1. P. 150-161. DOI: 10.1063/1.451821.
Gradshtein I.S., Ryzhik I.M. Table of integrals, series, and products. New York: Academic Press. 1965. 1071 p.
Abramowitz M., Stegun I.A. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Ta-bles.Washington DC: National Bureau of Standards. Appl. Math. Ser. 55. 1965. 1046 p.
Vetchinkin S.I., Vetchinkin A.S., Eryomin V.V., Umanskii I.M. Gaussian wavepacket dynamics in an anharmonic system. Chem. Phys. Lett. 1993. V. 215. N 1. P. 11-16. DOI: 10.1016/0009-2614(93)89255-G.
Eryomin V.V., Kuz'menko N.E., Umanskii I.M. Interference effects in wave packet dynamics at the pulse optical excitation of a diatomic molecule. Khim. fiz. 1996. V. 15. N 5. P. 5-12 (in Russian).
Kosloff R. Time-dependent quantum-mechanical methods for molecular dynamics. J. Phys. Chem. 1988. V. 92. N 8.
P. 2087-2100. DOI: 10.1021/j100319a003.
Kosloff R., Rice S.A., Gaspard P., Tersigni S., Tannor D.J. Wavepacket dancing: Achieving chemical selectivity by shaping light pulses. Chemical Physics. 1989. V. 139. N 1. P. 201-220. DOI: 10.1016/0301-0104(89)90012-8.
Balint-Kurti G.G., Dixon R.N., Marston C.C. Grid methods for solving the Schrödinger equation and time dependent quantum dynamics of molecular photofragmentation and reactive scattering processes. Int. Rev. Phys. Chem. 1992.
V. 11. N 2. P. 317-344. DOI: 10.1080/01442359209353274.
Marston C.C., Balint‐Kurti G.G. The Fourier grid Hamiltonian method for bound state eigenvalues and eigenfunctions. J. Chem. Phys. 1989. V. 91. N 6. P. 3571-3576. DOI: 10.1063/1.456888.
Rapp D., Kassal T. Theory of vibrational energy transfer between simple molecules in nonreactive collisions. Chem. Rev. 1969. V. 69. N 1. P. 61-102. DOI: 10.1021/cr60257a003.
Levine R.D., Bernstein R.B. Molecular Reaction Dynamics. New York: Oxford University Press. 1974. 250 p.
Herzberg G. Electronic Spectra and Electronic Structure of Polyatomic Molecules. New Jersey: D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton. 1967. 745 p.
Rosker M.J., Dantus M., Zewail A.H. Femtosecond real‐time probing of reactions. I. The technique. J. Chem. Phys. 1988. V. 89. N 10. P. 6113-6127. DOI: 10.1063/1.455427.
Khundkar L.R., Zewail A.H. Ultrafast Molecular Reaction Dynamics in Real-Time: Progress Over a Decade. Annu. Rev. Phys. Chem. 1990. V. 41. N 1. P. 15-60. DOI: 10.1146/annurev.pc.41.100190.000311.
Okabe H. Photochemistry of Small Molecules New York: John Wiley & Sons Inc. 1978. 413 p.
Baranavski A.P. Laser ultraviolet photochemistry, in: Laser as Reactants and probes in Chemistry. Washington DC: Howard University Press. 1985. 533 p.
Hargittai I., Hargittai M. Stereochemical Applications of Gas-Phase Electron Diffraction. Part A. New York: VCH Publishers, Inc. 1988. 563 p.
Garraway B.M., Suominen K.A. Wave-packet dynamics: new physics and chemistry in femto-time. Rep. Prog. Phys. 1995. V. 58. N 4. P. 365. DOI: 10.1088/0034-4885/58/4/001.
Heller E.J. Time‐dependent approach to semiclassical dynamics. J. Chem. Phys. 1975. V. 62. N 4. P. 1544-1555. DOI: 10.1063/1.430620.
Heller E.J. Potential Surface Properties and Dynamics from Molecular Spectra: A Time-Dependent Picture, in: Potential Energy Surfaces and Dynamics Calculations. New York: Springer US. 1981. P. 103-131. DOI: 10.1007/978-1-4757-1735-8_4.
Heller E.J. Quantum localization and the rate of exploration of phase space. Phys. Rev. A. 1987. V. 35. N 3. P. 1360-1370. DOI: 10.1103/PhysRevA.35.1360.
Ischenko A.A., Ewbank J.D., Schäfer L. Structural kinetics by stroboscopic gas electron diffraction Part 1. Time-dependent molecular intensities of dissociative states. J. Mol. Struct. 1994. V. 320. P. 147-158. DOI: 10.1016/0022-2860(93)08011-R.
Yang J., Makhija V., Kumarappan V., Centurion M. Reconstruction of three-dimensional molecular structure from diffraction of laser-aligned molecules. Struct. Dyn. 2014. V. 1. P. 044101-1–044101-10. DOI: 10.1063/1.4889840.
