重-轻-重反应体系的动力学研究:——偏分势能面及寿命矩阵的构建

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近些年来,散射共振态的研究一直是化学动力学研究的一个重要的前沿课题。散射共振态在大多数化学反应中起决定性的作用,它控制了化学反应的分支比,产物的能量分布和角分布等重要的特征性质。对于探索各类化学反应的详细机理,提高反应体系中不同能量形式(平动能,转动能,振动能和电子激发能等等)的利用率,以及如何控制化学反应的方向及速率等各类研究,均需要对化学中的散射共振态进行详细的考察和分析。化学反应的散射共振态是一种综合的量子效应,主要包含量子化学理论和反应散射理论两方面的综合研究。其中,化学反应的各类势能面是研究散射共振态的最基本也是最重要的工具,通过对势能面的计算和分析,可以获得散射共振态的各类特征性质,如共振能,共振宽度或共振寿命等等。最近对于散射共振态的实验研究的飞速发展,更是大大地推动了理论化学家对于散射共振态的研究。其中,D M Neumark等人的光分离光谱实验研究和K P Liu等人的交叉分子束实验更是取得了重大的成就,对此学科的发展意义非凡。而对于散射共振态的理论计算研究还有很多问题尚未解决。 本论文对若干重-轻-重反应体系的散射共振态做了动力学的理论研究,主要内容包括以下几个方面: 第一章的绪论中,简要介绍了散射共振态研究的历史背景,共振态的不同类型,以及目前对散射共振态的实验研究和理论研究的发展现状。而后,关注了该领域发展的最新动态,以及对散射共振态研究的发展前景。 第二章中,详细介绍了目前研究散射共振态的理论方法。理论研究主要包括势能面的构建和量子反应散射理论对散射共振态的计算。然后介绍了偏分势能面的理论基础和构建方法,和如何利用偏分势能面研究化学反应的散射共振态,主要包括一维方势阱模型和构建散射矩阵两个方面。 第三章,一维方势阱模型被应用于对目标体系的共振态寿命的计算研究。首先介绍了该模型的理论依据,和目标体系的理论研究状况,然后分别对两个模型化学反应,I+HI(v)→IH(v′)+I,Br+HBr(v)→BrH(v′)+Br做了相关的共振态寿命分析,并与实验结果进行比较,分析该理论模型在散射共振态的研究中的可行性。 第四章中介绍了一种新的计算共振态寿命的方法,即对反应体系过渡态寿命矩阵的构建,以使我们可以对共振态的寿命等重要特性进行直接计算。在第一节中我们详细讨论了构建寿命矩阵的理论依据,并与实验上和理论上常用的共振态寿命的计算方法进行比较。而后,我们针对X+HX(v)→XH(v<′>)+X(X=I,Br,Cl,F)四个比较类似的体系,在构建的偏分势能面的基础上,利用该理论方法,进行的相应的动力学研究,取得了很多散射共振态的特征数据,并且很好地解释了实验中散射共振态的研究结果。 在第五章中对X+H<,2>O(X=H,F,Cl)→XH+OH和X+CH<,4>→XH+CH<,3>(X=H,F,Cl,OH)等若干多原子分子反应性碰撞体系进行了理论计算。通过构建这些体系的偏分势能面,详细讨论了散射共振态的寿命等重要特性,并将计算结果与文献报道的数据对照分析,对这类体系散射实验现象给出了较好的理论解释。 以上为本论文的主要内容,主要是对目标化学反应的散射共振态的理论研究。其中,属于创新性的研究内容有: 1.偏分势能面的建立。偏分势能面不同于传统意义上简单的减维势能面,它可以是全维势能面忽略若干坐标参量的结果,也可以是若干坐标参量耦合而得到的势能面。我们所构建的偏分势能面是将振动自由度耦合到反应坐标上的结果,只包含能量和反应坐标两个变量,将比较复杂的体系势能面变成一维问题来研究,也可以合理地解释散射共振态的形成机理,并可以通过计算得到相关的数据。所以,偏分势能面是一个研究散射共振态的有利工具。 2.采用一维方势阱模型,在偏分势能面上对散射共振态的若干性质进行估算。一维方势阱模型是一个比较简单的数学模型,在1980年代左右即被用作对共振态的一些简单模型(如:谐振子模型)进行理论计算。由于重.轻.重反应体系的偏分势能面的激发能级曲线与此势阱模型类似,所以我们采用此模型对该类反应的散射共振态寿命进行了近似计算。 3.在偏分势能面的基础上,构建散射共振态的寿命矩阵,提出新的计算散射共振态寿命的方法。散射共振态是一种暂稳态,它的生成机理与反应的过渡态直接相关,也就是说共振态由体系势能面中强相互作用区域的结构特性所决定。因此,若要直接计算散射共振态寿命,就要首先获得反应体系过渡态的波函数。偏分势能面的构建为求解反应体系的SchrOdinger方程,构建体系散射矩阵提供了有利条件。 4.对重-轻-重x+HX(V)→HX(V<、>)+x(x=Br,Cl,F)反应体系的散射共振态进行了系统研究,总结出了相关的规律性。该类反应都属于对称性的态态反应,沿反应路径的势能曲线具有对称性,所以这些反应的偏分势能面曲线也具有一定的相似性。但由于重原子的质量的不同,而使各反应的势能曲线上势阱的深度和宽度相差很大,从而生成的散射共振态的寿命也随着重原子的质量的增加而增加。其中I+HI(V)→IH(V<、)+I,Br+HBr(V)→BrH(V<、)+Br两个反应属于共振态寿命较长的三原子碰撞反应,目前在实验上已经有比较精确的测量结果。
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