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    我國學者在重要星際分子一氧化碳的光解離研究中取得重要進展

    日期 2019-08-08   來源:化學科學部   作者:戴亞飛 高飛雪  【 】   【打印】   【關閉

    圖. CO光解離通道分支比的同位素效應

      在國家自然科學基金項目(批準號:21803072)的資助下,中國科學院化學研究所分子反應動力學實驗室高蕻課題組在重要星際分子一氧化碳(CO)真空紫外光解離的研究中取得重要進展。研究成果以“Strong and Selective Isotope Effect in the Vacuumultraviolet Photodissociation Branching Ratiosof Carbon Monoxide”(一氧化碳在真空紫外波段光解離通道分支比具有強烈和選擇性的同位素效應)為題,于2019年7月18日在線發表在Nature Communications(《自然·通訊》)上。論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11086-z。

      一氧化碳分子在星際空間中的豐度僅次于氫氣(H2)分子,排在第二位。CO吸收宇宙空間中的真空紫外輻射以后會解離生成C原子和O原子;碎片原子會進一步和H2分子反應生成碳氫化合物和水,而這些次生分子是組成生命的基本物質。另一方面,CO的光吸收和光解離還被認為是造成太陽系中C、O同位素異常分布的重要原因之一,從分子層面理解這一現象形成的機制對于研究太陽系的演化歷史以及行星的形成機制具有重要的意義。目前,大量的光譜學研究已經證明稀有同位素取代(13C、17O和18O)會顯著影響CO分子吸收譜線的位置和強度以及光解離效率等;而對于同位素取代會對解離產物的量子態布居造成什么樣的影響還不清楚,而這是理解C、O同位素在太陽系中異常分布的最重要參數之一。

      為了研究同位素取代對CO解離產物的量子態布居的影響,研究人員自主設計并搭建了一套高分辨時間切片離子速度成像裝置,其能量分辨率達到了國際上同類儀器的領先水平(Rev. Sci. Instrum.2018, 89, 013101)(主要由朱起鶴院士和程敏副研究員設計并搭建完成);同時,他們還基于四波混頻原理搭建了一套高分辨(線寬~0.3 cm-1)可調頻的真空紫外激光光源(65-200 nm)。他們用該真空紫外光源將12C16O和13C16O分別激發至相同的高激發量子態,并用切片離子速度成像裝置精確測量解離碎片的平動能,得到了其解離到每個通道的分支比。CO解離有三個可能的通道,分別是C(3P)+O(3P)、C(1D)+O(3P)和C(3P)+O(1D),其中3P表示C和O的基態,1D表示激發態。實驗結果表明,同位素取代會強烈影響CO解離產生的基態和激發態碎片原子之間的相對比例(如圖所示)。在宇宙空間的低溫環境中,基態的C、O原子幾乎不能和H2發生化學反應;而激發態的原子和H2的反應是無勢壘的,因此可以在很低的溫度下以非常快的速度發生,并生成碳氫化合物和水。該結果可能會對現有的天體化學模型產生重要的影響。




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