極低温量子固体p-H_2をマトリックスに用いたラジカルの高感度・高分解能ESR測定

以低温量子固体p-H_2为基体的自由基高灵敏度、高分辨率ESR测量

基本信息

批准号：
07217210
负责人：
宮崎哲郎
金额：
$ 1.02万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
1995
资助国家：
日本
起止时间：
1995 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-07217210/
关键词：
極低温固体水素量子固体パラ水素 ESR 高分解能ESR 水素分子アニオン

项目摘要

極低温における固体水素は量子固体と呼ばれ、p-H_2は回転量子状態(J)がJ=0であり核スピンが0である。p-H_2の核磁気モーメントが零であるために、ラジカルの電子と周囲のp-H_2分子とのsuperhyperfine相互作用が消滅し、ESRの線幅が液体中のように狭くなり、極低温において高感度・高分解能ESR測定が可能になる。また、極低温固体であるため不安定な反応活性種を捕捉し、観測することが出来る。固体p-H_2をγ線照射すると、12.4G離れた2本線および407G離れた2本線が観測された。これらは、p-H_2の放射線照射で生成した電子がH_2に付着し生成したH_2^-アニオンによるものと同定された。このH_2^-アニオンはp-H_2^-(〜30%)とo-H_2^-(〜70%)との混合物である。H_2^-アニオンを明確に観測した初めての例である。さらに、このアニオンは徐々に減衰するが、p-H_2^-の方がo-H_2^-よりも減衰速度が若干速い。これはp-H_2^-からo-H_2^-への転化が起こっているためである。分子の場合、p-H_2(J=0)→o-H_2(J=1)への転化が極低温では起こり得ないが、アニオンの場合、p-H_2^-→o-H_2^-への転化が起こる。この理由として、水素核の波動関数から考えると、アニオンになると分子の場合とは異なり、p-H_2^-はJ=1、o-H_2^-はJ=0となる。従つて、p-H_2^-(J=1)からo-H_2^-(J=0)への転化が可能になる。これは化学反応に対する核スピンの効果であり、新しい量子効果であると言える。

极低温下的固态氢被称为量子固体，p-H_2的旋转量子态（J）为J=0，核自旋为0。由于p-H_2的核磁矩为零，自由基电子与周围p-H_2分子之间的超超精细相互作用消失，ESR线宽变得像液体中一样窄，从而使得在极低温度下也能实现高温。灵敏且高分辨率的 ESR 测量。此外，由于它是低温固体，因此可以捕获和观察不稳定的活性物质。当用伽马射线照射固体p-H_2时，观察到两条相距12.4G的线和两条相距407G的线。这些被确定为由p-H_2辐射产生的电子附着在H_2上时产生的H_2^-阴离子引起的。该 H_2^- 阴离子是 p-H_2^- (~30%) 和 o-H_2^- (~70%) 的混合物。这是对H_2^-阴离子的首次清晰观察。而且，该阴离子逐渐衰变，但p-H_2^-的衰变速度比o-H_2^-稍快。这是由于从 p-H_2^- 到 o-H_2^- 的转换。对于分子来说，p-H_2(J=0)→o-H_2(J=1)的转化在极低的温度下不能发生，但是对于阴离子来说，p-H_2^-→o的转化-H_2^- 发生转变。其原因是，考虑到氢原子核的波函数，当它变成阴离子时，与分子的情况不同，p-H_2^- 的 J=1，o-H_2^- 的 J=0。因此，从p-H_2^-(J=1)到o-H_2^-(J=0)的转换成为可能。这就是核自旋对化学反应的影响，可以说是一种新的量子效应。