近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員肖春雷、研究員孫志剛、院士張東輝和院士楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)，與美國馬里蘭大學(xué)教授M. Alexander、伯克利大學(xué)教授D. Neumark合作，研究了低溫下F+H2反應(yīng)中共振增強(qiáng)隧穿效應(yīng)，以及探索了其在星際化學(xué)中對于產(chǎn)生HF的貢獻(xiàn)，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry）上。
大連化物所低溫F+H2反應(yīng)研究取得新進(jìn)展
1997年，科學(xué)家在星際云中首次觀測到了HF的存在。近幾年，赫歇爾空間天文臺發(fā)現(xiàn)，HF在星際空間是普遍存在的。而HF在星際空間，只能通過F+H2反應(yīng)才能產(chǎn)生。但是F＋H2反應(yīng)具有1.8kcal/mol高度的勢壘(78meV，相當(dāng)于800K的高溫)，在星際空間的低溫下（大約10K左右），這個(gè)反應(yīng)有效發(fā)生的具體機(jī)制暫不明確，因?yàn)榧词箍紤]到通常量子力學(xué)的隧穿效應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)也是極難進(jìn)行的。按照通常量子力學(xué)隧穿效應(yīng)去估計(jì)，星際空間的HF的含量是不可能被觀測到的。
在過去兩年，肖春雷和楊學(xué)明領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，對現(xiàn)有H原子里德堡態(tài)標(biāo)示時(shí)間飛渡譜的交叉分子束裝置進(jìn)行了顯著改進(jìn)，使其能夠?qū)Φ椭痢?meV碰撞能的F+H2反應(yīng)的微分截面進(jìn)行測量。他們利用改進(jìn)的交叉分子束裝置，詳細(xì)測量了碰撞能1～35meV范圍內(nèi)的后向散射譜。在此后向散射譜上，他們于碰撞能大約5meV的位置觀測到了一個(gè)獨(dú)立的譜峰；而于20meV的位置，觀測到了輕微的振蕩。此外，根據(jù)孫志剛等人計(jì)算的高精度的FH2-離子的電離能，發(fā)現(xiàn)后向散射譜的這兩個(gè)特征，是和Neumark等人所測得的負(fù)離子光電子能譜上過渡態(tài)的譜峰精確對應(yīng)。
為了揭示實(shí)驗(yàn)所觀測到的后向散射譜特征，孫志剛等人采用自行發(fā)展的非絕熱量子波包動力學(xué)方法，進(jìn)行了詳細(xì)的動力學(xué)分析。理論分析清晰的表明，位于5meV能量處的后向散射譜峰，是精確對應(yīng)于F+H2反應(yīng)的基態(tài)共振態(tài)；而位于20meV能量出的后向散射譜，是精確對應(yīng)于F+H2反應(yīng)的激發(fā)態(tài)共振態(tài)。而基態(tài)反應(yīng)共振態(tài)對于低溫下F+H2反應(yīng)有顯著作用。如果將共振態(tài)所導(dǎo)致的共振增強(qiáng)效應(yīng)移除，F(xiàn)+H2（v=0，j=0）在10K以下的溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)，會降低三個(gè)數(shù)量級以上。因此，F(xiàn)+H2在低溫時(shí)的反應(yīng)性，其實(shí)是通過反應(yīng)共振態(tài)所增強(qiáng)的隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生的，而不是通常簡單的隧穿效應(yīng)。通過精確的理論計(jì)算，該工作進(jìn)而給出了F+H2反應(yīng)在較寬溫度范圍的速率常數(shù)，這對于星際化學(xué)過程的精確模擬和研究具有重要的意義。
