Quantum dynamics and isotope effects of hydrogen in physico-chemical systems studied with neutron Compton scattering
Tyno Abdul‐Redah
In dieser Arbeit wurde auf experimentellem Wege das Gesamtstreuvermögen von Wasserstoffkernen in verschiedenen chemischen Umgebungen mit der inelastischen Neutronen-Compton-Streuung (NCS) untersucht. Die Experimente wurden am VESUVIO Spektrometer an der Neutronenspallationsquelle ISIS am Rutherford Appleton Laboratory in Großbritannien durchgeführt. Die der vorliegenden Arbeit zugrunde liegende These lautet, dass quantenverschränkte (qv) Teilchen das elektromagnetische oder Materiefeld nicht so streuen wie wenn sie sich als individuelle Teilchen verhalten würden, falls das Zeitfenster der experimentellen Methode kurz genug ist. Das Wasserstoffatom gilt wegen seiner relativ großen thermischen de Broglie-Wellenlänge als besonders geeignet, solche qv Zustände aufzuweisen. Die untersuchten chemischen Verbindungen enthielten Wasserstoff in unterschiedlichen Bindungsverhältnissen, wie z.B. Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser, C-H-Bindungen in organischen Molekülen und Metall-Wasserstoff-Verbindungen, in denen der Wasserstoff interstitiell oder ionisch gebunden vorkommt. Die unterschiedlichen Bindungsverhältnisse implizieren, dass der Wasserstoff unterschiedlichen Dekohärenzmechanismen unterliegt, die die Quantenverschränkung zerstören. Der Eingangsthese entsprechend hat sich in der Tat gezeigt, dass der Wasserstoffkern in diesen Systemen eine starke anomale Abnahme seines Neutronen-Streuvermögens s(H) aufweist und dass die verschiedenen chemischen Umgebungen zu unterschiedlichen Anomalien führen. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass in flüssigem H2O/D2O das Streuquerschnittsverhältnis von H und D sehr stark von der H/D-Zusammensetzung der Mischung abhängt, was auf einen intermolekularen Effekt hindeuten. Bei den organischen Molekülen scheint der Effekt intramolekularen Ursprungs zu sein. Weiterhin zeigte sich bei einigen Metall-Wasserstoff-Systemen eine starke Abhängigkeit des s(H) von der Streuzeit, was zusätzlich auf die dynamische Natur des Effektes hindeutet. Darüber hinaus deuten die Resultate darauf hin, dass die elektronische Umgebung des Wasserstoffs eine wesentliche Rolle für die Ausprägung der Anomalie spielt. Diese Resultate verletzen eine fundamentale Annahme der Streutheorie, nämlich die der strengen Proportionalität zwischen Teilchenzahldichte und Streuintensität. Es hat sich gezeigt, dass sie nur im Rahmen einer wesentlichen Erweiterung der Neutronenstreutheorie eine Intrepretation finden können. Da bei der NCS chemische Bindungen gerbrochen werden und die Zeitskala des NCS-Experiments im Femtosekunden- und Subfemtosekunden-Bereich liegt und daher mit der für die Umverteilung der Elektronendichten bei chemischen Prozessen vergleichbar ist, wird vermutet, dass der vorliegende neuartige Quanteneffekt eine fundamentale Bedeutung für die Chemie der kondensierten Materie hat. Das in der Quantenchemie oft verwendete Born-Oppenheimer-Schema für die Berechnung von Energiehyperflächen verliert in dieser Zeitskala seinen Sinn, da sich nun die Dynamik der Elektronen nicht mehr von der der Kerne trennen lässt. Demnach ist die Verwendung dieser Hyperflächen für die Beschreibung des Ablaufs der elementaren Schritte chemischer Reaktionen nicht so generell anwendbar wie allgemein angenommen wird.
•Sep 1, 2005•0 citations