我所發現電子角動量對化學反應微分截面的影響

  近日,我所分子反應動力學國家重點實驗室楊學明院士、孫志剛研究員與中國科學技術大學王興安教授合作,詳細研究了具有分波共振的F+HD反應的動力學過程,首次發現電子角動量對化學反應微分截面的影響。 

  分子反應動力學是在微觀層次上研究化學反應動力學過程的學科。利用交叉分子束實驗裝置結果和量子分子動力學理論模擬相結合,是研究化學反應動力學過程的基本手段。在單次碰撞而發生化學反應的條件下,交叉分子束裝置可以探測到具有振轉態分辨的化學反應產物;在構建高精度勢能面的基礎上,量子化學動力學理論的模擬可以計算出在單次碰撞條件下、具有量子態分辨的化學反應的散射信息。 

  經過半個多世紀的發展,交叉分子束實驗裝置的分辨率獲得了很大的提高。1986諾貝爾化學獎獲得者李遠哲教授發展了當時典型的通用型交叉分子束實驗裝置,其具有產物振動態的分辨率,因而能夠首次對F+H2及其同位素反應開展詳細的研究。上世紀九十年代所發展的交叉分子束離子成像裝置,將交叉分子束裝置的研究對象在具有振動態分辨率的條件下,從三原子反應體系擴展到了多原子分子反應體系。此外,幾乎同時發展的氫原子里德堡態標識的時間飛渡譜技術,將交叉分子束裝置的分辨率提高到了產物的轉動態。利用這樣高分辨率的實驗裝置和精確的量子動力學理論研究相結合,清晰的解釋了F+H2及其同位素反應中的反應共振態的圖像。近年來,楊學明和王興安進一步發展了交叉分子束離子成像裝置,使得探測產物的分辨率提高到了產物的轉動態,利用該實驗裝置,結合新發展的量子動力學理論分析方法,在2018年首次確認了化學反應中量子幾何相位效應的存在(Science, 2018)。至此,化學反應動力學的研究經歷了從產物量子振動態分辨率到轉動態分辨率的發展。但是,為了在更微觀層次上研究化學反應動力學過程,例如研究電子角動量甚至原子核自旋角動量是如何影響化學反應動力學過程的,將是化學反應動力學研究的又一個標志性的進展。 

  F+HD反應是一個非常特殊的反應,其具有明顯的分波共振效應。針對該反應開展高分辨率的反應動力學研究,有可能發現電子角動量對化學反應的影響。楊學明和王興安利用其發展的交叉分子束離子成像裝置,結合孫志剛發展的考慮電子角動量效應的量子動力學理論模擬方法,詳細研究了具有分波共振的F+HD反應的動力學過程:可利用該反應中特殊的分波共振現象,來揭示F原子的電子角動量對該反應過程的影響;其表現是考慮F原子的電子角動量效應之后,單一的分波共振可以變成具有四重精細結構的分波共振,從而改變化學反應產物的角度分布。這一改變十分細微,只有通過高分辨率的交叉分子束成像裝置才能夠觀測到。 

  相關研究結果于北京時間2月26日發表在《科學》(Science)上,該論文的四個評委一致認為該研究工作是非常優秀的(excellent),并稱贊其是教科書(textbook example)級別的研究成果。該工作得到國家自然科學基金委和中科院B類先導專項“能源化學轉化的本質與調控”等資助。(文/圖 王然生)

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