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中国科学家发现电子角动量对化学反应微分截面的影响

发布人:来源:科技局2021-02-26

  近日,中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室研究员杨学明和大连化物所研究员孙志刚与中国科学技术大学教授王兴安合作,详细研究了具有分波共振的F+HD反应的动力学过程,首次发现电子角动量对化学反应微分截面的影响。 

  分子反应动力学是在微观层次上研究化学反应动力学过程的学科。利用交叉分子束实验装置结果和量子分子动力学理论模拟相结合,是研究化学反应动力学过程的基本手段。在单次碰撞而发生化学反应的条件下,交叉分子束装置可探测到具有振转态分辨的化学反应产物;在构建高精度势能面的基础上,量子化学动力学理论的模拟可计算出在单次碰撞条件下、具有量子态分辨的化学反应的散射信息。 

  经过长期发展,交叉分子束实验装置的分辨率得到了较大的提高。1986年,诺贝尔化学奖获得者、教授李远哲发展出当时典型的通用型交叉分子束实验装置,其具有产物振动态的分辨率,因而能够首次对F+H2及其同位素反应开展详细研究。20世纪90年代发展的交叉分子束离子成像装置,将交叉分子束装置的研究对象在具有振动态分辨率的条件下,从三原子反应体系扩展到多原子分子反应体系。此外,几乎同时发展的氢原子里德堡态标识的时间飞渡谱技术,将交叉分子束装置的分辨率提高到产物的转动态。利用这样高分辨率的实验装置和精确的量子动力学理论研究相结合,清晰地解释了F+H2及其同位素反应中的反应共振态的图像。近年来,杨学明和王兴安进一步发展了交叉分子束离子成像装置,使探测产物的分辨率提高到产物的转动态,利用该实验装置,结合新发展的量子动力学理论分析方法,在2018年首次确认了化学反应中量子几何相位效应的存在(Science, 2018)。至此,化学反应动力学的研究经历了从产物量子振动态分辨率到转动态分辨率的发展。但为了在更微观层次上研究化学反应动力学过程,如研究电子角动量甚至原子核自旋角动量如何影响化学反应动力学过程,将是化学反应动力学研究的又一个标志性进展。 

  F+HD反应是一个非常特殊的反应,其具有明显的分波共振效应。针对该反应开展高分辨率的反应动力学研究,有可能发现电子角动量对化学反应的影响。杨学明和王兴安利用其发展的交叉分子束离子成像装置,结合孙志刚发展的考虑电子角动量效应的量子动力学理论模拟方法,详细研究了具有分波共振的F+HD反应的动力学过程:可利用该反应中特殊的分波共振现象,以揭示F原子的电子角动量对该反应过程的影响;其表现是考虑F原子的电子角动量效应之后,单一的分波共振可变成具有四重精细结构的分波共振,从而改变化学反应产物的角度分布。该改变十分细微,只有通过高分辨率的交叉分子束成像装置才能够观测到。