研究内容

分子反应动力学的研究,是从微观原子分子层次上分析和研究化学反应的机理,是从化学反应产物的量子态分辨的细节上研究化学反应过程,从而获得化学反应普遍性的规律。它是化学学科的基础,是联系物理和化学学科的桥梁。研究分子反应动力学,本质上是研究两束具有确定量子态(确定的振动态、转动态以及动能)的粒子通过碰撞而发生反应散射的过程,是研究碰撞过程中新的化学键形成和旧的化学键断裂的过程。微观粒子具有波粒二象性,因此理论上研究基元化学反应动力学,我们多采用量子力学原理,采用高精度的数值计算方法,去模拟反应散射过程。

化学反应动力学的研究,是研究分子体系中原子核的运动。但是我们知道,原子和分子是由电子和原子核通过合适的方式组合而成。原子核运动的同时,电子也会同时跟着运动。在理论模拟时,采用量子力学原理,同时高精度描述化学反应中的原子核和电子的运动,就目前的计算能力来说是不可能的。但我们知道,电子和原子核的质量差别比较大(~1:1800), 因此可以把原子核和电子运动分别来处理,也就是采用有名的波恩-奥本海默近似。采用波恩-奥本海默近似之后,就出现了势能面的概念。势能面是原子核间距的函数,描述了随着原子核间距的变化而产生的分子体系势能的改变,其特定决定了化学反应动力学的特征,是反应动力学研究的基础。

H+H2反应中势能面上的锥形交叉及其反应双路径干涉机制

通过对分子反应动力学的研究,我们可以理解,比如说,化学反应物初始态,比如说,振动态和转动态以及动能大小,是如何影响化学反应的;反应势垒上的过渡态是如何控制化学反应进程的;反应散射共振态普遍性如何,反应散射共振态又是如何影响化学反应产物分布的;化学反应中的量子几何相位效应是如何体现的。这些因素都是可以在不同程度上影响化学反应进程。研究并获得这些规律,对于我们进一步控制化学反应有重要的意义。

在分子动力学领域,反应动力学的研究是最复杂的。因为化学反应的发生时,是尽管反应物的初始态是确定的,但是发生碰撞反应那一刻时,相互碰撞的两个粒子之间的距离是没有办法控制的。因而,实际实验上观测到的反应散射的产物,是在一系列不同碰撞参数下发生碰撞反应散射而平均的结果(这是采用经典力学语言的陈述。用量子力学语言来讲,则是不同分波发生反应散射而平均的结果)。描述这样的过程,不仅对理论有比较高的要求,而且有很多特别的动力学现象,也都被平均掉了,难以在实验中观测到。因此,我们同时也对激光所诱导的光解动力学进行研究。

光解反应动力学可以看作半个反应散射过程,因为其初始态是通过激光激发产生的,散射态只涉及光解产物,它不像反应散射过程那样同时涉及反应物和产物的散射态描述。因而理论模拟相对来说简单些,而且光解动力学结果也比较容易解释,不涉及多个分波的平均效应。这类研究多侧重于分子的激发态动力学过程。这类研究过程,对于理解大气光化学以及星际空间化学过程,十分重要。

CH3I分子光解过程示意图

实际化学反应的发生,很多是在固体表面以及液体中进行的。因此,研究分子和表面的相互作用以及表面上的分子之间的相互作用,也具有非常重要的意义。这类研究和异相催化过程十分相关。

化学反应动力学的研究,以及分子反应动力学国家重点实验室的建立,很大程度上是由化学激光的研究孕育而来。化学反应动力学的研究对于理解、控制和提升高能化学激光的性能具有十分重要的意义。在如今国际形势下,这类研究愈显重要。欢迎广大有志学生咨询并参与到我们研究组的工作中来!

高能激光



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