Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1183
Main Title: Quantum dynamics and isotope effects of hydrogen in physico-chemical systems studied with neutron Compton scattering
Translated Title: Quantendynamik und Isotopeneffekte des Wasserstoffs in physiko-chemischen Systemen untersucht mittels Neutronen-Compton-Streuung
Author(s): Abdul-Redah, Tyno
Advisor(s): Dreismann, Chariton Aris
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: 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.
This work deals with the experimental investigation of the scattering behavior of hydrogen nuclei in different chemical environments of liquid as well as solid compounds. The experimental method used is the inelastic technique of neutron Compton scattering (NCS) as applied on the VESUVIO spectrometer at the neutron spallation source ISIS of the Rutherford Appleton Laboratory in UK. The present work has been motivated by previous theoretical work on the possible existence of dynamical quantum entanglement (QE) in condensed matter which lead to the prediction that, if the time window of an experimental method is short enough, then the quantum entangled particles would not scatter electromagnetic or matter field in the way they would do if they would behave individually. The proton is considered to be particularly suitable to exhibit such quantum entangled states because of its relatively low mass and the resulting long thermal de Broglie wavelength. The compounds investigated in the present work comprise a wide range of different bonding conditions the proton is involved in, e.g., H-bond in water, C-H bonds, and metal hydrogen systems, in which the protons occupy interstitial sites or are involved in ionic bonds. These different bonding conditions imply that the proton is subject to different decoherence mechanisms which destroy QE. The experimental results showed that the proton exhibits an anomaly which manifests itself in a strong decrease of its ability to scatter neutrons. In addition, the different chemical environments cause different anomalies. These experimental findings confirm the above mentioned theoretical prediction. In most cases, the protons have been partly exchanged by deuterons in order to investigate the effect of isotope exchange on the scattering behavior. It has been found that the ratio s(H)/s(D) of the scattering cross sections of H and D in liquid H2O/D2O is significantly smaller than expected according to conventional scattering theory and (2) that s(H)/s(D) is strongly dependent on the H/D composition of the mixture. This experiment provided for the first time a direct evidence for the existence of nuclear QE in condensed matter. Some metal hydrogen systems exhibit a strong dependence of s(H) on the scattering time, which indicates the dynamical nature of the effect. It has also been found that the electronic environment of the proton in the compound does play a significant role for the anomalous effect. These experimental results violate a fundamental assumption in any scattering theory, i.e., the strict proportionality of the particle number density and the scattering intensity. It has been shown that the experimental results can be interpreted only by a considerable extension of the neutron scattering theory. It is anticipated that the underlying novel quantum effect plays a fundamental role for chemistry in condensed matter. This anticipation is supported by the facts that the time scale of the experiment which is in the range of femtoseconds and less and that the chemical bonds are broken in the NCS method due to the high energy transfer to the proton. This time scale is comparable with that one of the rearrangement of electronic densities during chemical reactions. This means that the widely applied Born-Oppenheimer scheme for the calculation of energy surfaces loses its validity within this time range, since the dynamics of the electrons can no longer be separated from that of the nuclei. Hence, the applicability of the energy surfaces for the description of chemical reaction paths is not as general as commonly believed.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-10667
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1480
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1183
Exam Date: 4-Jul-2005
Issue Date: 1-Sep-2005
Date Available: 1-Sep-2005
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Attosekunden-Phänomene
Chemische Bindung
Dekohärenz
Kondensierte Materie
Quantenverschränkung
Attosecond phenomena
Chemical bond
Condensed matter
Decoherence
Quantum entanglement
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Chemie » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_39.pdf4.3 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.