極低温量子固体中で進行する純トンネル化学反応の直接観測とその量子レベル依存性

直接观察低温量子固体中进行的纯隧道化学反应及其量子能级依赖性

基本信息

批准号：
12874069
负责人：
百瀬孝昌
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

量子固体の一つである固体パラ水素を媒質に用いると、気相と同程度あるいはそれ以上の分解能でその中に捕捉した分子の振動・回転分光ができる。この固体水素内にフリーラジカルやイオンなどの化学的に活性な分子を生成すると、まわりの水素分子と例えばX+H_2→XH+Hなどの反応を起こす場合がある。系が5Kという極低温であるにもかかわらず反応が進行することから、これは純トンネル化学反応によるものであると考えることができる。そこで本研究では、固体水素中では量子化された振動回転準位の高分解能分光が可能であるという特徴を活かして、このラジカルなどの振動回転線を高分解能分光の手法を用いて追跡することにより、通常は熱反応機構の陰に隠されてしまうため観測の不可能なトンネル化学反応過程を直接観測すると共に、そめ量子レベル依存性の解明など他では得られない新たな情報を得ることを目的として研究を進めた。具体的には重水素化したヨウ化メチル(CD_3l, CD_2Hl, CDH_2lなど)の紫外光照射により生成するメチルラジカル(CD_3, CD_2H, CDH_2)から、メタンが生成する反応を調べた。メチルラジカルの振動回転線の減衰からトンネル反応速度を5×10^<-6>/sと求めた。しかしながら、生成するメタンの速度が、2×10^<-6>/sとラジカルの減衰よりも2倍以上遅いという奇妙な事実を見いだした。また3ミクロン程度の赤外光を照射し続けることによって反応速度が倍以上になることを見いだし反応速度の量子状態依存性が大きいことを明らかにした。現在これらの詳細な解析を行っているところである。

当使用作为量子固体的固体仲氢作为介质时，可以以与气相相当或更高的分辨率对捕获在其中的分子进行振动和旋转光谱分析。当固体氢中产生自由基、离子等化学活性分子时，可能会与周围的氢分子发生X+H_2→XH+H等反应。由于尽管系统处于 5K 的极低温度下反应仍在进行，因此这可以被认为是纯粹的隧道化学反应。因此，在这项研究中，我们将利用固体氢中量子化振动旋转能级的高分辨率光谱这一事实，并使用高分辨率光谱来跟踪这些自由基的振动旋转线，这使我们能够直接观察。隧道化学反应过程通常隐藏在热反应机制后面，因此无法观察到，并获得其他地方无法获得的新信息，例如阐明量子水平依赖性，我将其作为研究的目的。具体而言，我们研究了由氘代甲基碘（CD_3l、CD_2Hl、CDH_2l等）通过紫外线照射而产生的甲基自由基（CD_3、CD_2H、CDH_2）生成甲烷的反应。根据甲基自由基振动旋转线的衰减，确定隧道反应速率为5×10 ^ -6 /s。然而，我们发现了一个奇怪的事实，甲烷的产生速度是2×10^<-6>/s，比自由基的衰变慢两倍多。他们还发现，通过持续用约3微米的红外光照射，反应速率增加了一倍以上，揭示了反应速率高度依赖于量子态。目前我们正在对这些进行详细分析。