Solvatisierte Elektronen zum Abtasten der elektronischen Struktur von flüssigem Ammoniak

Abstract

Die Photolyse von reinem flüssigen Ammoniak mit ultraviolettem (UV) Laserlicht erzeugt solvatisierte Elektronen. Ist ein Elektron innerhalb einer Flüssigkeit an kein Atom gebunden, aber dennoch vom Solvens eingebettet, bezeichnet man es als gelöstes bzw. solvatisiertes Elektron. Zudem lässt es sich als die einfachste Form eines geladenen und radikalischen Teilchens auffassen: Es ist hochreaktiv und extrem kurzlebig, wobei Lebensdauern photolytisch erzeugter gelöster Elektronen von wenigen Pikosekunden berichtet wurden. Zur Beobachtung solvatisierter Elektronen in der Flüssigkeit auf solch kurzen Zeitskalen bedient man sich der Methodik der Anregungs-Abfrage-Spektroskopie (englisch: <em>pump-probe spectroscopy</em>).<br /> Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein entsprechendes Spektrometer mit durchstimmbarer UV-Anregung und Infrarot-Abfrage aufgebaut, das eine Zeitauflösung von etwa hundert Femtosekunden besitzt. Die durchstimmbare UV-Anregung ermöglichte dabei die photolytische Erzeugung gelöster Elektronen durch Zwei-Photonen-Anregung in reinem Ammoniak bei einer Vielzahl von Anregungswellenlängen und entsprechenden Anregungsenergien. Durch eine Erhöhung der Anregungsenergie kann der Anteil langlebiger solvatisierter Elektronen vergrößert werden. Die Bestimmung des Anteils langlebiger gelöster Elektronen in Abhängigkeit der Anregungsenergie kommt dabei einem Abtasten der elektronischen Struktur des Solvens gleich, da bei der Photolyse ein konstanter Teil der Anregungsenergie zur Erzeugung solvatisierter Elektronen verbraucht wird. Dieser entspricht der optischen Bandlücke der Flüssigkeit und ist durch das Abtasten experimentell zugänglich. Obendrein liefern so gewonnene Messdaten ein energetisches Abbild der Leitungsbandkante des Lösungsmittels, im vorliegenden Fall von reinem Ammoniak.<br /> Solvatisierte Elektronen dienen somit als spektroskopische Sonden zur Untersuchung des Lösungsmittels. Die Besonderheit dieser Methode ist, dass die Sonden zum Abtasten der elektronischen Struktur der Flüssigkeit in ihr selbst erzeugt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde dieses Verfahren erstmals auf ein verflüssigtes Gas, Ammoniak, angewendet. Somit war es möglich, die optische Bandlücke von reinem flüssigen Ammoniak bei 270K und 300 bar zu mindestens 6.83 eV zu bestimmen.