作者:张东辉、杨学明等 来源:《自然—化学》 发布时间:2019/7/4 11:06:58
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低温F+H2反应研究取得新进展
 
 
近日,中科院大连化物所肖春雷研究员、孙志刚研究员、张东辉院士和杨学明院士团队,与美国马里兰大学M. Alexander教授、伯克利大学D. Neumark教授合作,研究了低温下F+H2反应中共振增强隧穿效应,以及探索了其在星际化学中对于产生HF的贡献,相关结果发表在《自然—化学》(Nature Chemistry)上。
 
1997年,科学家在星际云中首次观测到了HF的存在。近几年,赫歇尔空间天文台发现,HF在星际空间是普遍存在的。而HF在星际空间,只能通过F+H2反应才能产生。但是F+H2反应具有1.8kcal/mol高度的势垒(78meV,相当于800K的高温),在星际空间的低温下(大约10K左右),这个反应有效发生的具体机制暂不明确,因为即使考虑到通常量子力学的隧穿效应,这个反应也是极难进行的。按照通常量子力学隧穿效应去估计,星际空间的HF的含量是不可能被观测到的。
 
在近两年,肖春雷和杨学明领导的团队,对现有H原子里德堡态标示时间飞渡谱的交叉分子束装置进行了显著改进,使其能够对低至~1meV碰撞能的F+H2反应的微分截面进行测量。他们利用改进的交叉分子束装置,详细测量了碰撞能1~35meV范围内的后向散射谱。在此后向散射谱上,他们于碰撞能大约5meV的位置观测到了一个独立的谱峰;而于20meV的位置,观测到了轻微的振荡。此外,根据孙志刚等人计算的高精度的FH2-离子的电离能,发现后向散射谱的这两个特征,是和Neumark等人所测得的负离子光电子能谱上过渡态的谱峰精确对应。
 
为了揭示实验所观测到的后向散射谱特征,孙志刚等人采用自行发展的非绝热量子波包动力学方法,进行了详细的动力学分析。理论分析清晰的表明,位于5meV能量处的后向散射谱峰,是精确对应于F+H2反应的基态共振态;而位于20meV能量出的后向散射谱,是精确对应于F+H2反应的激发态共振态。而基态反应共振态对于低温下F+H2反应有显著作用。如果将共振态所导致的共振增强效应移除,F+H2(v=0,j=0)在10K以下的温度下的反应速率常数,会降低三个数量级以上。
 
因此,F+H2在低温时的反应性,其实是通过反应共振态所增强的隧穿效应而产生的,而不是通常简单的隧穿效应。通过精确的理论计算,该工作进而给出了F+H2反应在较宽温度范围的速率常数,这对于星际化学过程的精确模拟和研究具有重要的意义。(来源:科学网 刘万生 杨天罡)
 
相关论文信息:doi.org/10.1038/s41557-019-0280-3
 

 

 
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