利用量子反应动力学方法研究振动激发对O+CHD3/CD4→OH/OD+CD3及Cl+CHD3/CD4→HCl/DCl+CD3反应体系的影响

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分子反应动力学是物理化学的前沿基础研究领域,是一门研究化学反应基元过程分子机理的科学。近年来,随着计算机科学的进步和量子散射理论的发展,将量子理论用于研究分子反应的动力学规律成为现今研究的一项重要课题,多原子分子反应的量子动力学研究有了长足的进步。当前,人们已经能够对四原子以内的反应体系进行全量子的严格计算。然而化学研究所感兴趣的绝大多数是多于四个原子的体系。随着原子数目和自由度的增加,计算量随之增大,从而使得对四原子以上体系的动力学研究困难增大。因此,探索和发展多原子分子化学反应的理论模型和计算方法尤为重要。为此,人们提出了一些处理多原子体系反应的理论模型和约化维数的计算方法。  本文的主要工作是:利用六维约化自由度模型以及含时波包传播方法,对O+CHD3/CD4及Cl+CHD3/CD4反应体系进行量子反应动力计算,研究不同的反应物振动激发模式对反应体系的影响。另外,在保证总能量相同的情况下,比较分别增加动能和振动能对反应的促进效果,确定哪种能量对反应的促进效果更明显。  首先,对于O+CD4→OD+CD3反应体系,计算结果表明CD4的所有振动激发模式均促进反应进行,其中 C-D键的伸缩激发促进效果最明显。这一结果与准经典轨线结果一致。但是,实验观测到CD4的弯曲激发会阻碍反应进行,这一点与我们的结果相矛盾。另外,通过计算、比较我们发现,总的来说,对于这个反应体系,增加动能比增加振动能更有效的促进反应进行。但是,在碰撞能较大时,振动能的促进效果会略高于动能。其次,对于O+CHD3→OH+CD3反应体系,我们的结果与实验结果符合较好。与O+CD4不同的是CHD3的伞式激发模式阻碍反应进行。同样,对O+CHD3,增加平动能更有效。由于此反应的过渡态稍微位于产物通道,从“晚期势垒”角度来看, Polanyi法则并不适用于这个体系。  另一方面,对于Cl+CHD3/CD4→HCl/DCl+CD3反应体系,CHD3和CD4的所有振动激发模式均促进反应进行,其中反应C-H和C-D键的伸缩激发对反应的促进效果最大。另外,除了在碰撞能很低的情况下,振动能对反应的促进效果比动能更明显。考虑这两个反应体系都是“晚期势垒”反应,Polanyi法则对于这两个多原子反应仍然适用。  论文共分为四章:第一章为序论,主要从总体上介绍了分子反应动力学和含时波包法的发展历程;第二章介绍了含时波包动力学基本理论和计算方法;第三章介绍了六维约化自由度模型;第四章,我们将六维模型应用到O+CHD3/CD4→OH/OD+CD3反应体系,研究不同的反应物振动激发模式对反应的影响;第五章,我们将六维模型应用到Cl+CHD3/CD4→HCl/DCl+CD3反应体系,进行量子反应动力学计算;第六章对文章进行了简要总结。
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