莫宇翔教授研究组获得第一个直线五原子分子的能级列表

 

近期,物理系莫宇翔教授研究组使用零动能光电子能谱技术获得了第一个直线五原子分子——丙炔腈阳离子能级,被美国物理联合会(AIP)以“分子光谱的新基准”为题,作为新闻进行报道。相关研究论文“The Renner-Teller effect in HCCCN+(X2Π) studied by zero-kinetic energy photoelectron spectroscopy and theoretical calculations”于2015年8月4日发表在《化学物理学报》上(DOI: 10.1063/1.4922669)。

丙炔腈是一种由五个原子(一个氢原子,一个氮原子和三个碳原子)组成的线性分子,具有原子核与电子的耦合效应,存在于星际星云和土星最大的卫星土卫六的大气层中。

在描述分子运动时,因为电子与核的质量相差悬殊,所以核的振动不会对电子态产生影响,这被称为玻恩-奥本海默近似(Born-Oppenheimer approximation),它是化学物理的基石。但在对称且具有简并电子态的线性分子中,玻恩-奥本海默近似不能成立,如丙炔腈离子。在这些分子中,原子核振动和电子运动耦合,一方的改变能够影响另一方,这种现象也被称为雷諾泰勒效应(Renner-Teller Effect)。所以,玻恩-奥本海默近似不能描述丙炔腈离子的能级结构。

通过研究丙炔腈离子及类似有机分子的能级结构,莫宇翔教授的研究组希望更好地理解这些分子中电子-振动态的耦合。

在实验中,莫宇翔教授研究组用可调谐纳秒脉冲真空紫外激光将丙炔腈分子样品泵浦到高电子激发态——里德堡态。最终,这些离子被一个非常小的脉冲电场电离,并探测离子信号。真空紫外激光由聚焦于氙气脉冲射流的两束激光组成,通过扫描真空紫外激光的频率得到了这些离子的能态。这种技术被称为零动能光电子能谱,它非常适用于测量阳离子的振动能级。它为研究者们提供了一套阳离从振动基态到激发态的完整能级列表。

此外,他们还得到了氟甲烷、氯甲烷、以及氯乙炔 (monochloroacetylene)等阳离子的自旋-电子-振动能级列表,这些分子都具有强的电子-自旋-核振动耦合效应。实验测得的能级与理论上通过透热模型计算出来的能级相吻合(透热模型常用于描述量子系统中电子与核的耦合效应)。

莫宇翔小组的研究结果表明对于这些典型离子,其振动-电子相互耦合效应的主要物理机制已经被理解。

 

HCCCN的高分辨光电子谱

 

 

信息来源:https://china.aip.org/china/news/New-benchmarks-for-molecular-spectroscopy