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激光在水分子的光解中观测到电子激发态的OH超级转子

2020.10.19

　　近日，分子反应动力学国家重点实验室袁开军研究员、杨学明院士团队，与南京大学胡茜茜教授、谢代前教授合作，在水分子的光解动力学研究方面取得新进展，首次发现了电子激发态的OH超级转子。

　　当分子处于一个内态能量高于它第一电离能的高里德堡态时，人们称这个分子为超激发态分子。超激发态分子作为一个反应中间体，有着重要的作用，尤其是这些分子被认为是在电子与分子离子的碰撞反应中造成Feshbach共振的原因。星际空间中的高能辐射场产生了大量的超激发态分子，理解超激发态分子的碎片化过程对理解在行星上层大气以及星云光解区域中发生的光化学反应非常重要。然而，由于真空紫外（VUV）光源的缺乏，研究这些超激发态分子的碎片化过程具有很大的挑战。

　　大连相干光源的成功建成出光，为科研人员研究超激发态分子的碎片化过程带来了契机。本工作中，袁开军和杨学明团队利用大连相干光源的自由电子激光输出96.4nm的真空紫外激光，将水分子激发到超过第一电离能（98nm）的高里德堡态（超激发态），再结合H原子高里德堡态标识飞行时间谱技术，探测超激发态的水分子在碎片化过程中产生的H原子，实验结果中清晰地观测到了处于第一电子激发态（A态）的OH（A）超级转子。OH（A）超级转子因为离心势垒的束缚而存在，它的寿命由隧穿效应和预解离效应共同决定。胡茜茜和谢代前团队重新计算了OH分子的势能曲线，计算得到的OH（A）超级转子的隧穿寿命依然相当长，如OH（A，v=0，N=36）的隧穿寿命大于2年。但由于预解离速率比隧穿速率快好几个数量级，因而这些电子激发态的OH超级转子的预解离寿命很短，只有几十到几百个皮秒。虽然这些超级转子的寿命非常短，但是极高的内态能量使得它们具有很高的反应活性，在地球上层大气中可能有着尚未发现的作用。

　相关成果发表在《物理化学快报》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上。该工作得到国家自然科学基金委动态化学前沿研究中心项目、中国科学院战略性先导专项（B类）“能源化学转化的本质与调控”﹑自然科学基金面上项目、我所大连相干光源专项基金等资助。