首次發現電子角動量對化學反應的影響 提升人類對自然界認識能力

化學反應動力學是在原子、分子層次上，深入研究化學反應如何進行，以求得最終實現影響進而控制化學反應速率和選擇反應通道。記者從中國科學院大連化學物理研究所獲悉，該所楊學明院士、孫志剛研究員與中國科技大學王興安教授合作研究取得新進展。研究團隊利用高分辨率的交叉分子束離子成像裝置，研究了氟原子(F)+氫氘(HD)分子反應的微觀動力學過程，并利用該反應中的特殊分波共振現象，揭示F原子的電子角動量對該反應散射動力學過程的影響。該成果2月26日發表在國際著名期刊《科學》雜志上。

電子轉動角動量的能量，相對于分子振動的能量或分子轉動的能量是十分微小的。首次探測到的電子角動量對于化學反應動力學過程的影響，是分子反應動力學領域研究的一個突破，進一步提升了人類對自然界的認識能力。

目前，交叉分子束實驗儀器是從微觀層次上研究化學反應動力學的唯一實驗裝置。同時，想要獲得化學反應動力學微觀過程的具體機制，基于量子力學原理的分子動力學數值模擬計算也必不可少。

據介紹，單次碰撞而發生化學反應的條件下，交叉分子束裝置可以探測到具有振轉態分辨的化學反應產物。在構建高精度勢能面的基礎上，開展精確的量子分子反應動力學理論分析，可以詳細推斷出具有量子態分辨的化學反應微觀動態過程。孫志剛表示，實驗裝置的分辨率和理論計算的動力學過程分析能力，體現了科研人員獲得化學反應動力學過程細節的水平，也體現了當今科技發展的水平。

近年來，楊學明院士和王興安教授進一步發展了交叉分子束離子成像裝置，使探測產物的分辨率提高到產物的轉動態。利用該實驗裝置，結合新發展的量子動力學理論分析方法，首次確定了化學反應中量子幾何相位效應的存在，相關研究結果曾于2018年在《科學》上發表。至此，化學反應動力學的研究，經歷了從產物量子振動態分辨率到轉動態分辨率的發展。而后，孫志剛和王興安希望在更微觀的層次上研究化學反應動力學過程，并認為這將是化學反應動力學研究的又一個標志性進展。為此，研究團隊利用該交叉分子束裝置，結合孫志剛所發展的考慮電子角動量效應的量子動力學理論模擬方法，詳細研究了具有分波共振的F+HD反應的動力學過程。

(郝曉明)