Electronic state dependence in dissociation of core-excited water
Författare
Summary, in 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.
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.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2011
Språk
Engelska
Fulltext
Dokumenttyp
Examensarbete för magisterexamen (Ett år)
Ämne
- Physics and Astronomy
Handledare
- Anna Sankari