中國北京的研究者們獲得了丙炔腈分子(cyanoacetylene)新的能量讀數(shù)，對人們了解有機(jī)分子的電子結(jié)構(gòu)有著顯著意義。
清華大學(xué)的研究者們最近使用一種叫做零動能光電子光譜的技術(shù)前所未有地獲得了丙炔腈陽離子的量子能級細(xì)節(jié)列表，丙炔腈是一種由五個原子組成的線性分子，具有原子核與電子的耦合效應(yīng)，存在于星際星云和土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六的大氣層中。
以往在描述分子運動時，科學(xué)家們普遍認(rèn)為核內(nèi)振動運動并不會對原子的電子態(tài)產(chǎn)生影響，因為電子與核內(nèi)粒子之間在大小上相差懸殊—這也被稱為玻恩 - 奧本海默近似(Born-Oppenheimer approximation)，是化學(xué)物理的基石。但是，這種近似不足以描述在涉及到丙炔腈的光誘導(dǎo)過程中能量態(tài)的變化。通過研究丙炔腈以及一些類似有機(jī)分子的能量結(jié)構(gòu)，中國的研究者們希望更好地理解這些光誘導(dǎo)過程。
“(它)是研究陽離子能量結(jié)構(gòu)的理想工具，” 清華大學(xué)物理系教授莫宇翔說，他同時也是該研究項目的主要研究者。“目前還沒有其他的實驗工具可以完成這個任務(wù)。”研究組的論文于本周發(fā)表在由美國物理聯(lián)合會出版的期刊《化學(xué)物理學(xué)報》中。
玻恩 - 奧本海默近似的例外情況發(fā)生在對稱且具有簡并電子態(tài)的線性分子中，如丙炔腈(它由一個氫原子，一個氮原子和三個碳原子組成)。在這些分子中，原子核和電子振動耦合，即意味者一方的改變能夠影響另一方，這種現(xiàn)象也被稱為雷諾泰勒效應(yīng)(Renner-Teller Effect)。
在實驗中，研究人員們用可調(diào)諧納秒脈沖真空紫外激光將丙炔腈分子樣品泵浦到高電子激發(fā)態(tài)--里德堡態(tài)。最終，這些離子被一個非常小的脈沖電場電離， 從而使它們能夠被探測到。真空紫外激光由聚焦于氙氣(xenon)脈沖射流的兩束激光組成，該技術(shù)也被稱為四波混頻法。通過掃描真空紫外激光的頻率--一種標(biāo)準(zhǔn)的光譜操作方法--研究人員們得到了這些離子的能態(tài)。
這種技術(shù)被稱為零動能光電子，或ZEKE光譜法，它非常適用于測量陽離子的振動能量。它為研究者們提供了一套關(guān)于陽離子的從振動基態(tài)到波數(shù)為幾千或者相應(yīng)頻率量級的激發(fā)態(tài)的完整的，高分辨率能量讀數(shù)，加深了研究者們對雷諾泰勒效應(yīng)(Renner-Teller Effect)中耦合振動的理解。
研究者們在實驗中測得的離子能級與理論上通過非絕熱模型計算出來的丙炔腈振動能級相吻合，非絕熱模型多用于描述量子系統(tǒng)中電子與核的耦合效應(yīng)。此外，研究者們還得到了氟代甲烷(fluoromethane)，氯代甲烷(chloromethane)，以及單氯乙炔(monochloroacetylene) 陽離子的自旋電子振動能級列表，這些分子都是具有強(qiáng)電子與核耦合效應(yīng)的高對稱性或線性分子。
“從這些結(jié)果中，我們了解了這些基準(zhǔn)分子振動耦合的主要物理機(jī)制。”莫教授說。
研究組下一步的工作包括測量在更一般的情況下分子的振動能級，例如在電子勢能面偶然交叉的情況下。
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