高能碰撞反应O(3P)+H2的态态反应动力学研究

Moleuclar reaction dynamics is important in interstellar chemistry, combustion chemistry and energy chemistry. The straightforward way to understand the microscopic reaction picture is measuring the state-to-state differential cross section. The reaction bewteen oxygen atom and hydrogen molecule is one of the most important reaction in combustion chemistry. In the past thirty years, due to the very high reaction barrier, it's hard to investigate such reaction experimentally. The new technique can form high translational energy O(3P) beam by laser detonation, which can overcome the reaction barrier. The role of this application is studying the O(3P)+H2 reaction process by using high resolution Rydberg tagging H atom TOF spectroscopy combing with laser detonation source, and measuring the differential cross section at different collisional energies, understanding the adabatic and non-adabatic reaction mechanism. Such information is helpful for combustion chemistry model.

分子反应动力学在星际化学，燃烧化学和能源化学中占据重要的地位，而量子态分辨的微分反应截面的测量是理解反应微观图像的最直接的途径。氧原子和氢分子的反应是燃烧化学中最重要的基元反应之一。过去几十年来，由于O(3P)+H2的反应存在很高的反应势垒，实验上很难进行研究。利用激光爆破法可以产生高平动能的O(3P)原子束，从而克服反应势垒。本课题申请拟采用激光爆破法结合高分辨的里德堡态氢原子时间飞行谱技术来研究O(3P)+H2的反应过程，测量不同碰撞能下该反应的微分散射截面，理解绝热和非绝热反应通道机理，为燃烧化学模型提供坚实的实验依据。

高能碰撞反应在地球高层大气中占据重要的地位。最近的研究表明高碰撞能下的反应其产物的散射方向会发生明显的变化，尤其是碰撞能远远超过过渡态势垒时，角动量效应起重要作用。本项目采用激光爆破技术产生了高平动能的F原子和O原子束源。利用F原子束源我们进行了F+D2在碰撞能5.71kcal/mol的研究，实验测量了振动态分辨的微分散射截面。通过微分散射截面发现产物DF（v=0-3）主要分布在侧向和后向，而产物DF（v=4）主要分布在前向。我们对这些前向产物的动力学来源进行了讨论和分析。此外利用大连相干光源，我们研究了CO2在108nm附近的光解动力学，发现产物O(1S)+CO(X)通道。通过记录O(1S)的离子影像，得到CO产物的振动态分布和空间角分布。CO产物主要分布在高振动能态上，各向异性参数测量说明分子经历平行跃迁和快速的解离过程。CO2的解离机理也进行了讨论。我们也进行了OCS的光解动力学研究。OCS是光解动力学研究的模型分子，教科书认为OCS光解主要生成CO+S或者CS+O产物。然而，另外一个产物通道SO+C在热力学上是允许的，但是实验上一直没有被观测到。本项目中利用可调VUV光源结合离子成像技术，清楚的观测到SO(X)+C(3P)的产物通道。产物SO是高振动分布的，在小于130nm的波长解离下，产物呈各项异性。理论分析认为各向异性的产物主要通过传统的非绝热通道解离，即通过多次非绝热耦合从高激发态跃迁到低激发态解离。而当激发光能量接近CO(3Π)+S(3P)的通道阈值时产物呈各项同性，与最近报道的多原子分子中的漫游机理相似。通过本项目的实施，我们对分子反应动力学有了更深的理解。