Quelltext der Seite Femtochemie

'''Femtochemie''' ist ein Teilgebiet der [[Chemie]], das Vorgänge auf der [[Femtosekunde]]n-Zeitskala beschreibt (1&nbsp;fs =&nbsp;10<sup>−15</sup>&nbsp;s).

Die dynamisch messbaren Vorgänge, die in diesem Zeitbereich stattfinden, sind Kernbewegungen (Vibrationen). Die typische Geschwindigkeit, mit der sich Kerne bewegen, ist ca. 1&nbsp;km/s. Damit bewegen sich diese im Femtosekundenbereich um einige Ångström (1&thinsp;Å =&nbsp;10<sup>−10</sup>&nbsp;m); eine [[Molekülschwingung]] dauert ca. 10 bis einige 100&nbsp;fs. Da [[Schwingung]]en in [[Molekül]]en – insbesondere Bindungsbildung und Bindungsbruch – die Grundlage chemischer Reaktionen darstellen, wird dieses Forschungsgebiet als eigener Teilbereich der Chemie aufgefasst und als „Femtosekunden-Chemie“ oder kurz Femtochemie bezeichnet.<ref>„Femtosecond Chemistry“ Volume I and II, VCH Weinheim (1995).</ref>

== Geschichte ==

Mit der Erfindung der [[Modenkopplung|„phase-locked“]] [[Laser]]pulse Mitte/Ende der 1980er Jahre wurde der Femtosekundenbereich experimentell zugänglich. Spezielle [[Spektroskopie]]-Methoden, wie beispielsweise die [[Pump-Probe-Technik]], ermöglichen es, Momentaufnahmen der Kernbewegungen direkt zu messen. In seinen Arbeiten am NaI und ICN (neben anderen Molekülen) konnte [[Ahmed Zewail]] solche Momentaufnahmen erzeugen und unter anderem messen, in welcher Zeit Molekülbindungen brechen. Für seine Arbeiten wurde er 1999 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

== Hintergrund ==

Ein typisches Femtosekundenexperiment besteht aus einer Pulsfolge von 2 Pulsen: einem Pump-Puls (Anregungspuls), der das Molekül in einen angeregten (dynamischen) Zustand versetzt, und einem zeitverzögerten Probe-Puls (Abfragepuls), der die dynamische Information des Systems zu verschiedenen Zeitpunkten abfragt. Typischerweise ist der Abfragepuls ein ionisierender Puls, und die abgefragte Information wird in Form von [[Photoelektron]]en oder -fragmenten gemessen. Das Zeitintervall zwischen den beiden Pulsen wird variiert, indem ein Puls einen Umweg über eine Strecke mit Spiegeln laufen muss. Dieser Umweg ist sehr klein: 100&nbsp;fs Zeitdifferenz bedeuten 0,03&nbsp;mm Umweg. Die abgefragte Information liefert sozusagen einen Fingerabdruck des Systems zum Zeitpunkt der Abfrage (Analogie: [[Stoppuhr]]).

In der Theorie werden solche Femtosekundenexperimente typischerweise mittels zeitabhängiger [[Störungstheorie (Quantenmechanik)|Störungstheorie]] rechnerisch behandelt. Die Wechselwirkung des Systems im Grundzustand mit dem ersten Puls wird in Störungstheorie erster Ordnung, und die Wechselwirkung mit dem Probe-Pulse in zweiter Ordnung beschrieben.

Nachdem es möglich war, diese Vorgänge zu messen, wurde sowohl auf Theorie- als auch auf Experimentatorenseite erforscht, wie solche Prozesse manipuliert werden können, um beispielsweise die Ausbeute chemischer Reaktionen zu erhöhen. Dieses Gebiet wird als [[Quantenkontrolle]] bezeichnet.<ref>M. Shapiro, P. Brumer, „Principles of Quantum Control of Molecular Processes“, Wiley, New York (2003); S. A. Rice, M. Zhao, „Optical Control of Molecular Dynamics“, Wiley, New York (2000).</ref>

Aktuell (2008) können Laserpulse mit weniger als 5&nbsp;fs Pulsdauer und Spitzenintensitäten weit über 10<sup>18</sup>&nbsp;W/m<sup>2</sup> erzeugt werden. Für so erzeugte Felder <math>E(t)</math> ist die Phase <math>\phi</math> des Feldes unter der einhüllenden Funktion <math>f(t)</math>, <math>E(t) = f(t)\cdot \cos(\omega t + \phi)</math> nicht mehr vernachlässigbar. Mit solchen und noch kürzeren Pulsen kann nun die Elektronendynamik beobachtet und beeinflusst werden. Die ultrakurzen, starken und phasenstabilisierten Laserpulse finden besonders in der [[Attosekundenphysik]] und in der Erzeugung der [[Hohe Harmonische|hohen Harmonischen]] Anwendung.

== Siehe auch ==
* [[Femtosekundenlaser]]

== Literatur ==
* Ahmed H. Zewail: [http://iupac.org/publications/pac/72/12/2219/pdf/ ''Femtochemistry. Past, present, and future.''] In: ''Pure and Applied Chemistry.'' 72, 2000, S.&nbsp;2219–2231, {{DOI|10.1351/pac200072122219}}.

== Einzelnachweise ==
<references/>

{{Navigationsleiste Teilbereiche der Chemie}}

{{Normdaten|TYP=s|LCCN=sh2003001074}}

[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Physikalische Chemie]]
[[Kategorie:Laseranwendung]]