甲醇分子的核自旋变体的分离及其动态变换机制的研究

根据泡利原理，由非零自旋的同种原子核的原子组成的所有分子在自然界中只能以两种或两种以上的核自旋变体的形式存在。因此，人们一直设法将众多分子的核自旋变体分离开并探求它们之间相互变换的物理机制。可是对此，包括申请人用光诱导漂移法成功地研究了乙烯分子在内，迄今为止用4种实验方法仅研究了7种分子。本项目拟用光诱导漂移法再来研究甲醇气体分子，因为甲醇是具有内部扭动类分子的原型代表和最重要的恒星大气分子之一。研究内容包括: 选择多条二氧化碳激光线分离甲醇核自旋变体并观测其在不同气压时和不同材料样品室内的浓缩度和浓缩曲线；测定甲醇核自旋变体的变换率并分析其与气压的关系和受器壁材料的影响；阐明甲醇核自旋变体间的动态变换机制和探索解释具有内部扭动类分子的核自旋变体变换的新理论。研究结果将填补该领域的知识空白和可能动摇天文学里持续了几百万年的"恒星大气中各种气体分子的核自旋变体间的变换概率都是零"的基本假设。

在本项目的实验中，我们意外地发现与传统的光致漂移效应相反，激光也能调制受激分子的碰撞截面使它变小，我们称其为反常光致漂移效应。用反常光致漂移效应作为新技术手段，我们在国际上首次在室温下将甲醇气体的两种核自旋变体在空间上部分地分离开来，证实了在自然界中甲醇有正甲醇和仲甲醇两种分子存在方式。实验上观测到了这两种形式的分子之间也能相互分布转换，这个结果是与传统的分子物理光谱中电偶跃迁选择定则理论相饽的。我们实时记录了甲醇的两种核自旋变体相互转换的信号强度分布曲线、测定了它们在室温的不同气压下的存活寿命以及它们之间的转换率随压力的变化曲线，并用量子弛豫理论进一步阐明解释了它们之间的这种相互变换过程背后暗藏的物理机制。这些研究结果填补了这个新领域研究的知识空白。这项工作是该领域的国际前沿研究。继上次工作 (Science, 310, 1938 (2005)) 后，也再次动摇了天文物理里持续了几百万年的“恒星大气中各种气体分子的核自旋变体间的变换概率都是零”的基本假设。