H+D2O→HD+OD反应的微分截面:一种全维态-态量子动力学计算

用含时波包方法计算得到H+D₂O→HD+OD反应的第一个初始基态,第一对称（100）和反对称（001）伸缩振动激发态的全维态-态微分截面.计算的三个初始态的微分截面在低碰撞能量下都是很强的后向散射.随着碰撞能量的增加,微分截面越来越宽,伴随着峰的位置逐渐向小角度移动,与标题反应是一个通过抽取机理的直接反应相一致.发现（100）和（001）态不只有几乎完全相同的积分截面,还有基本相同的微分截面-在相同的总能量下和基态反应也接近.反应产生的OD只有很小一部分在v=1态上,其分布几率和基态与振动激发态的相对几率相似,从而证实了Zare等人的实验结果和局域模式图像.另外让人意想不到的是,在相同的总能量下,伸缩激发抑制了产物HD的转动激发.     

H+HD→H2+D反应的高分辨交叉分子束实验研究

本文利用交叉分子束方法和离子速度成像技术,对H+HD→H₂+D反应在1.17 eV碰撞能下的态-态反应动力学开展了高分辨实验研究. 实验采用1+1''(真空紫外+紫外)近阈值激光电离方式对反应中的D原子产物进行探测,获得了高角度分辨和高能量分辨的产物离子速度影像,进而精确获得了反应的态-态微分截面. 实验观测到了H₂(v''=0,j''=1)和H₂(v''=0,j''=3)振转产物角分布中与散射过程的干涉效应相联系的前向散射振荡. 这一研究进一步表明了化学反应微分截面的精确测量在气相态-态反应动力学研究中的重要性.     

交叉分子束实验研究F+D2(v=1, j=0)反应

本文使用交叉分子束方法研究了氟原子和振动激发态氘分子D₂(v=1, j=0)的反应. 使用受激拉曼抽运的方法制备了振动激发的D₂分子. 实验中未观测到来自于旋轨耦合激发态氟原子F^*(²P_1/2)与振动激发态D₂分子的贡献. 观测到来自于旋轨耦合基态氟原子F(²P_3/2)和振动激发态D₂的反应信号,相应的产物DF分子布居于v''=2,3,4,5振动态上. 与振动基态反应F+D₂(v=1,j=0)相比,振动激发态反应F+D₂(v=1,j=0)生成的DF产物转动分布更“热”. 获得了振动激发反应的四个碰撞能在0.32至2.62 kcal/mol范围内的微分反应截面. 在最低的碰撞能0.32 kcal/mol下,所有振动态的DF产物都以后向散射为主. 随着碰撞能的增加,DF产物的角分布逐渐从后向转移到侧向. 测量了DF(v''=5)产物的前向微分散射截面随碰撞能变化的曲线. 前向散射的DF(v''=5)信号出现于1.0 kcal/mol. 在2.62 kcal/mol碰撞能下DF(v''=5)主要为前向散射.     

Br2+分子离子[1+1]双光子解离动力学

本文利用最近研制的低温离子阱-离子速度成像谱仪在冷离子束中研究了同位素质量分辨的⁷⁹Br₂⁺分子离子的[1+1]双光子激光解离动力学. 借助其1⁴Σ^-_u,3/2态为中间态使⁷⁹Br₂⁺共振吸收两个光子至4∽5 eV区域的高激发态并发生解离. 利用离子速度成像技术获得了光解产物⁷⁹Br⁺的二维速度分布和平动能释放谱. 通过平动能释放谱确定了不同解离能量处量子态分辨的解离产物通道分支比. 光碎片产物的角分布表明⁷⁹Br₂⁺分子离子的双光子解离是1⁴Σ^-_u,3/2态的ΔΩ=0平行跃迁至一个Ω=3/2高解离态发生的. 由于分子激发态中的强自旋-轨道耦合作用,高激发的四重态很可能参与到实验观测的光解过程.     

碰撞能44∽164 cm−1范围内单量子态转动激发对F+D2反应的影响

当碰撞能很低,尤其是远低于反应势垒的时候,反应通常经过量子隧穿来进行. 目前,还没有明确的物理图像来描述反应物的转动激发对这类反应过程的影响. 本文基于里德堡态D原子飞行时间谱探测方法,利用多通道探测器交叉分子束装置研究了碰撞能44 cm^-1∽164 cm^-1下反应F+D₂(v=0,j=0,1)→DF(v'')+D的动力学过程,并得到了振动态分辨的微分截面. 在可资用能相等时,通过调控反应的平动能,研究了D₂转动激发对于反应的影响,发现反应物的转动比平动更有利于反应的进行. D₂的转动激发导致产物DF的角分布和量子态分布发生显著变化. 本工作进一步加深转动激发对于反应的影响的理解,尤其是在反应能量远低于反应势垒的情况下.     

He-H2S复合物的六维从头算势能面和束缚态

采用[CCSD(T)]-F12a/aug-cc-pVTZ方法，同时在基组中引入中心键函数(3s3p2d1f1g)构建了He-H$_2$S复合物的高精度六维势能面. 除分子间振动坐标，同时考虑了H₂S分子内的v₁对称伸缩振动Q₁正则模、v₂弯曲振动Q₂正则模和v₃反对称伸缩振动Q₃正则模三种振动模式. 将计算得到的六维势能面在Q₁，Q₂和Q₃方向上分别做积分得到H₂S单体分别处于振动基态、v和v₃激发态下的He-H₂S的三个振动平均势能面. 计算结果表明，每个平均势能面都有一个T形全局极小值、一个平面局部极小值、两个平面内鞍点和一个平面外鞍点. 全局极小值的几何构型位于R=3.46 ?，θ=109.9°和φ=0.0°，势阱深度为35.301 ^-1. 在径向部分采用离散变量表象法和角度部分采用有限基组表象法并结合Lanczos循环算法计算了He-H₂S的振转能级和束缚态. 计算发现He-(para-H₂S)在H₂S的v₂和v₃区域的带心位移分别为0.025 cm^-1和0.031 cm^-1，而He-(ortho-H₂S)的带心位移分别为0.041 cm^-1和0.060 cm^-1，都表现为蓝移.     

使用态-态分辨的量子波包方法对Li+HF/DF反应的研究

使用基于反应物坐标的含时量子波包方法,在APW势能面上,计算了碰撞能在0～0.25 eV范围的Li+HF/DF(v=0,j=0,1)反应的积分和微分截面．同时也计算了初始态选择的反应速率常数．计算结果表明,Li+DF和Li+HF反应产物分布基本类似,只是前者产物转动激发态稍微多些．反应物的转动激发对于Li+DF反应影响很小．这两个反应的微分截面都是前向散射为主的,特别是在碰撞能较高时候．产物振转态分辨的积分截面和后向散射随碰撞能而呈现的振荡现象,可以用来指认Li+HF反应中的共振态．Li+HF的反应速率常数在100～300 K几乎不变,而Li+DF的反应速率常数则增长了10倍左右．Li+HF的反应几率和积分截面和以前报道的结果总体符合较好,差别应该是计算收敛性更好所致．     

HNCO在201 nm的离子成像光解动力学:CO(X1Σ+)与NH(a1Δ)

本文通过时间切片离子速度成像技术在201 nm附近研究了HNCO分子在S₁电子激发态的光解动力学. CO产物通过共振增强多光子电离的方法进行了选态探测,获得了CO产物的振动基态和激发态切片影像. 从CO的影像得到了解离产物的能量分布和空间角分布,确定了NH(a¹Δ)产物的振转态分布信息. 研究发现¹NH的振动分支比(v=1/v=0)随CO(v=0)转动能的增大先增大后下降,展现了¹NH与CO之间特殊的态态相关性. 大约一半的可资用能分配给解离产物的平动自由度. 负的各向异性参数表明HNCO的光解是个快速的直接解离过程.     

225∽260 nm波段溴化氰光解动力学系统性研究

本文报道了在自行搭建的时间切片离子速度成像装置上进行的225∽260 nm波段内溴化氰光解动力学的研究. 在该波段内选取了若干溴原子(²P_3/2或²P_1/2)的共振线对产物溴原子的共振电离并采集其切片影像,得到了光解产物的总平动能谱,进而获得了产物氰基的振转态布居等信息. 本文发现了在Br^*通道,产物氰基的内能激发比Br通道低;Br和Br^*通道产物氰基振动的最高布居分别为v=0和1. 另外,还发现对于Br通道,溴化氰分子在长波处与短波处解离时,氰基产物的振转激发差异很大,这揭示了其显著不同的光解动力学.     

不同初始振动态下D2O在B带的态-态光解动力学

利用高精度的非绝热从头算势能面,采用量子实波包方法研究了D₂O在3个不同初始振动态(0,1,0)、(1,0,0)和(0,0,1)下光激发到~B态解离过程的态-态量子动力学．结果表明,由于初始振动波函数的形状不同,从不同振动态产生的吸收光谱、产物分布和产物分支比具有不同的动力学特性．弯曲振动态(010)的吸收谱呈现出两波瓣的形状且中间具有较浅的极小值,其基态产物OD( ~X)在高能量区域会出现轻微的振动态反转现象．所有初始振动态得到的激发态产物OD(_?)的振-转态分布都随能量的变化出现强烈的震荡,这是由于受到了激发态势能面上长寿命共振态的影响．反对称伸缩振动态(0,0,1)在高能量区域具有较大的产物分支比OD(_?)/OD( ~X),表明绝热通道在某些情形下是主要的解离通道．     

OCS经由F 31Π里德堡态生成CO(X1Σ+)+S(1D2)产物的波长相关性光解离

本文利用时间切片离子速度成像技术在134∽140 nm波段研究了OCS分子经由F 3¹Π里德堡态的真空紫外光解离动力学. 在选取的5个分别对应OCS(F 3¹Π, v₁=0∽4)的伸缩振动激发的光解波长，实验测得了来自CO(X¹Σ⁺)+S(¹D₂)产物通道的SS(¹D₂))实验影像，并获得了总平动能谱和CO(X¹Σ⁺, v)共生产物的振动布居及角分布. 结果分析表明OCS分子解离生成CO(X¹Σ⁺)+S(¹D₂)产物的过程经历了上态F 3¹Π 与C_?v和C_s构型的下电子态间非绝热耦合过程. 实验结果显示了很强的波长相关性：OCS (F 3¹Π, v₁)的较低转动激发态(v₁=0∽2)和较高转动激发态(v₁=3, 4)的CO(X¹Σ⁺)产物的振动布居和角分布具有显著差异，表明该解离过程中具有不同的解离机理. 本结果提供了振动耦合可能对真空紫外光解离动力学产生关键作用的相关证据.     

Reaction of C2HCl2+O2: Combined TR-FTIR Spectroscopy and Electronic Structure

用时间分辨傅立叶变换红外发射光谱(TR-FTIR)和G3MP2//B3LYP/6-311G(d,p)水平的电子结构计算研究了环境化学中重要的二氯代乙烯自由基C₂HCl₂和O₂分子的基元反应通道和机理. 通过0.5 cm^-1高分辨的TR-FTIR发射光谱观察到三种振动激发态产物CO₂、CO和HCl,由光谱拟合得到CO和HCl的振动态分布,结合电子结构计算的反应势能曲线,提出反应机理和能量上最可能的反     

全维高精度势能面上F+CH3OH反应的产物振动态分布

甲醇与氟原子之间的抽氢反应可以生成HF和CH₃O、CH₂OH自由基等产物. 该反应在环境化学、燃烧化学、辐射化学和星际化学中都非常重要. 基于之前构建的全维高精度势能面,本文采用准经典轨线方法研究了该典型反应的动力学. 特别是使用正则模式分析方法确定了多原子产物CH₃O和CH₂OH的振动态分布. 研究发现,当反应物处于振转基态时,CH₃O和CH₂OH主要分布在基态. 当反应物CH₃OH的OH伸缩模式激发为第一激发态时,产物CH₂OH的OH伸缩模式、扭转模式、H₂CO 面外弯曲模式及其组合会被有效激发. 在两条通道中,可用能量大部分都流入HF的振动能和产物的平动能,而自由基产物CH₃O或CH₂OH只得到非常少的能量,与实验结果一致,这也表明了自由基的旁观者性质.     

基于从头算势能面对S-(2P)+H2(1Σ+g)→SH-(1Σ)+H(2S)反应的量子含时波包计算

本文基于离子分子SH₂^-基态势能面,应用含时波包方法研究了反应S^-(²P)+H₂(¹Σ⁺_g)→SH^-(¹Σ)+H(²S)的动力学行为. 给出了反应几率和积分截面随碰撞能的变化关系,结果表明,在讨论的所有碰撞能量范围内二者均存在显著的振荡结构. 当初始转动量子数j=0,2,4,6,8,10和振动量子数v=0,1,2,3,4时,从总反应几率数值计算中可以看出,双原子H₂的振动激发和转动激发显著提高了反应活性. 同时积分散射截面的理论值与前人的实验值相符合.     

Quasi-classical Trajectory Study of the Intramolecular Isotope Effect in the Reaction O(3P)+H2/HD

利用准经典轨线方法在BMS1解析势能面上研究了反应O(³P)+H₂体系的动力学性质. 主要研究了同位素效应对该反应体系的积分截面、产物转动态分布、微分截面、产物角动量的取向和定向以及对极化微分截面的影响. 对于微分截面,还考虑了反应物初始振动量子数对微分截面的影响. 对反应O+HD与O+H₂产生OH的转动发布进行比较,发现前者OH的转动激发更为明显. 微分截面的结果表明,振动量子数和同位素对散射方向有一定影响. 同位素取代对产物的取向和定向以及极化微分截面的影响也比较明显. 对以上结果利用已有的理论模型进行了分析,得到了合理的解释.     

H+CH3D→H2+CH2D反应的十维量子动力学研究

本文采用最近发展的十维含时波包方法研究了H+CH₃D→H₂+CH₂D反应的模式选择性,计算了反应物CH₃D在基态、CH₃对称和不对称伸缩振动激发态、CD伸缩振动激发态以及CH₃弯曲模式的基频和倍频激发态等6个初始状态下的反应几率. 计算结果表明,在碰撞能0.0∽1.0 eV区间内,激发CH₃的任意一种伸缩振动模都能增强反应活性,而CD伸缩振动激发对反应的促进作用不明显. CH₃弯曲振动模的基频激发对促进反应活性几乎没有影响,由于CH₃对称伸缩振动模的基频与CH₃弯曲振动模倍频之间的费米共振作用,CH₃弯曲振动模的倍频激发显著增强了反应活性.     

超高碰撞能23.84 kJ/mol下反应F+D2→DF+D的交叉分子束研究

本文搭建了一套新的实验设备,首次将氢原子里德堡态标记的飞行时间谱技术与激光爆破束源技术相结合,进行超高碰撞能下化学反应的动力学研究. 初步进行了F+D₂→DF+D在超高碰撞能23.84 kJ/mol下的实验研究. 在研究中应用了两种类型束源：一类是通过激光爆破过程产生的高能F原子束源,另一类是通过液氮冷却脉冲阀而产生的D₂束源. 实验中探测了反应产物振动态分辨的微分散射截面. 结果显示,大部分反应产物DF主要呈现侧向和后向散射分布,而产物DF(v''=4)则主要分布在前向. 对前向散射产物DF(v''=4)的动力学来源进行了讨论.     

Xe对NO(X)微分截面和非弹性散射中的碰撞诱导旋转准直

本文对NO(X)-Xe碰撞系统在碰撞能量为519 cm^-1，测量了完全?-双峰分解的微分截面和碰撞引起的旋转准直力矩. 同时结合初始量子态选择，使用六极杆的非均质电场，借助量子态分辨的测量，利用(1+1'')共振增强的多光子电离和速度离子成像. 结果显示，微分截面以及偏振相关的微分截面均显示与从头算势能面上进行的量子力学散射计算[J. K?os etal. J. Chem. Phys. 137, 014312 (2012)]一致. 通过与准经典轨迹、硬壳势能的量子力学散射以及运动近端模型的比较，评估了势能对所测微分截面和碰撞引起的旋转准直力矩的影响.     

Ne-HBr复合物CCSD(T)势能面对转动非弹性分波截面的影响

利用非线性最小二乘法拟合在CCSD(T)/aug-cc-pVQZ理论水平下计算的相互作用能，得到了基态Ne-HBr复合物势能面的解析表达式.在此基础上，采用量子密耦方法计算了入射能量分别为40，60，80 和100meV时，Ne原子与HBr分子碰撞的分波截面，详细讨论了CCSD(T)势能面的长程吸引和短程各向异性相互作用对非弹性分波截面的影响.结果表明：(1)总非弹性分波截面主要来自j=0 →j′=1, 2跃迁.高J端的尾部极大是势能面长程吸引阱的贡献，主要来自j=0 →j′=1跃迁；低J端的主极大是短程排斥的贡献，主要来自j=0 →j′=2跃迁；极小值是短程排斥和长程吸引作用相互抵消的结果.(2)尽管不同入射能量时非弹性分波截面的峰值和极小值对应的总角动量量子数J各不相同，但它们对应于几乎相同的碰撞参数，取样势能面的相同部分.     

N+ND反应的量子力学速率常数

在两个耦合的势能面1²A′和2²A′上对N+ND反应进行了非绝热量子动力学研究. 计算了N+ND→N₂+D反应和N′+ND→N′D+N反应在5 meV～1.0 eV碰撞能的反应几率和积分截面. 结果发现N+ND→N₂+D反应是N+ND反应的主要反应通道.另外,计算了N+ND→N₂+D 反应的速率常数.