中國科學家發現電子角動量對化學反應微分截面的影響

2022年10月13日01:40:10 熱門 1102

近日，中國科學院院士、中科院大連化學物理研究所分子反應動力學國家重點實驗室研究員楊學明和大連化物所研究員孫志剛與中國科學技術大學教授王興安合作，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。

經過長期發展，交叉分子束實驗裝置的分辨率得到了較大的提高。1986年，諾貝爾化學獎獲得者、教授李遠哲發展出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研究。20世紀90年代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，清晰地解釋了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，使探測產物的分辨率提高到產物的轉動態，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。但為了在更微觀層次上研究化學反應動力學過程，如研究電子角動量甚至原子核自旋角動量如何影響化學反應動力學過程，將是化學反應動力學研究的又一個標誌性進展。

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，以揭示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後，單一的分波共振可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佈。該改變十分細微，只有通過高分辨率的交叉分子束成像裝置才能夠觀測到。

相關研究結果於北京時間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），並稱讚其是教科書（textbook example）級別的研究成果。研究工作得到國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項（B類）「能源化學轉化的本質與調控」等的資助。