科學家首次觀測到化學反應中的“日冕環”現象

近日， 中國科學技術大學教授王興安和中國科學院大連化學物理研究所研究員孫志剛、中科院院士張東輝、中科院院士楊學明合作， 首次利用自主發展的目前最高解析度的交叉分子束離子成像技術， 觀測到了化學反應散射中日冕環的現象， 並結合量子分子反應動力學理論分析， 首次揭示了該現象所隱藏的反應動力學機理。 該研究成果發表在《自然-化學》（Nature Chemistry）上。

當大氣中的微小水滴被陽光照射時， 如果氣象條件良好， 人們可以在太陽周圍觀察到一系列美麗的光環， 大氣光學中稱之為日冕環。

大氣光學的研究表明， 這一自然現象的產生源於光在水滴表面前向衍射所產生的光干涉圖像。 就物理角度而言， 其產生的原理與著名的楊氏雙狹縫干涉現象極為類似， 均是由光量子的波動特性而產生的干涉現象。 更值得一提的是， 日冕環的結構可説明人們直接分析推測出空氣中水滴的大小。

與大氣光散射相似， 氣相化學反應從嚴格意義上來說是原子與分子的散射過程， 比較獨特的是， 在這一散射過程中伴隨著舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成。 反應產物的空間散射結構， 直接反映了化學反應進程的微觀機制。 因此， 對分子態－態分辨的散射動力學的研究是深入理解氣相分子反應機理的重要方法。

近年來， 速度成像技術逐漸成為研究化學反應機理的重要實驗方法。 為了能夠更加準確地獲得反應態－態資訊， 研究人員一直致力於提高成像實驗的解析度。

王興安和楊學明領導的團隊自主研製了一台獨特的結合閾值鐳射電離技術以及速度成像技術的交叉分子束反應動力學研究裝置， 使得實驗上獲得的H原子產物的速度解析度達到了世界上同類儀器的最好水準。 利用這一裝置， 研究小組開展了對化學中最經典的H+HD→H2+D反應的實驗動力學研究。 他們首次測得了這一反應產物全量子態分辨的產物速度影像， 並且在實驗上首次觀測到了反應前向散射產物中存在的角分佈振盪現象。 孫志剛和張東輝等人通過精確量子動力學分析，

發現這一角分佈振盪現象其實是由散射過程中的少數幾個分波散射的角分佈結構引起的。 通過對這些振盪結構的測量和分析， 可以瞭解到引起前向散射的反應過渡態和中間體的大小， 也可以知道這些前向振盪結構是具體來自哪幾個散射分波。 通過他們的研究發現， 這些在化學反應中首次發現的前向散射振盪結構在三維散射圖像中與大氣光學中觀測到的日冕環的散射圖像非常相似：通過觀測光與水滴的日冕環散射， 可以瞭解自然界中的水滴的大小；而通過觀測化學反應中的前向角分佈振盪結構， 可以清晰地研究化學反應的過渡態結構以及動力學。

這項研究工作得到了國家自然科學基金科學中心專案和中科院戰略先導專案（B類）的支持。

大氣光學中的日冕環

H+HD→H2+D反應的產物速度影像（左）；化學反應中的前向散射振盪a)與大氣日冕散射環b)（右）