原子与分子物理前沿专题1

并通过检测器获取此过程的信息，由此
可以得到分子束反应的重要动力学参数
与信息。
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•34
•分子束实验装置示意图
•分子束源
•准直孔
•速度选择器
•分子束源
•速度选择器
•散射分子 •分子束交叉区
•可移动检测器
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•35
•交叉分子束装置主要由5部分组成：
•（1）束源，用来产生分子束。图中有喷嘴源和溢流源两个束源。 •（2）速度选择器，在溢流源上方的一组平行线条，表示带有齿孔
面上，反应沿着RT→TP的虚线进行，反应进程不同
，各原子间相对位置也不同，体系的能量也不同。
• 如以势能为纵坐标
，反应坐标为横坐标，
•势 •能
•≠
画出的图可以表示反应
过程中体系势能的变化
，这是一条能量最低的 途径。
•反应坐标
•势能面剖面图
•*
•13
马鞍点(saddle point)
• 在势能面上，活化络合物所 处的位置T点称为马鞍点。
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•10
•图中R点是反应物BC分子的基态,随着A原子的靠近,势能沿着RT线 升高，到达T点形成活化络合物。 •D点是完全离解为A,B,C原子 •随着C原子的离去，势能沿着TP线下 时的势能；OEP一侧,是原子 降，到P点是生成物AB分子的稳态。 间的相斥能,也很高。
•11 •*
势能面的类型
• 目前常见的势能面有两种: • 一种是Eyring和Polanyi利用London对三原子体 系的量子力学势能近似式画出的势能面称为 London-Eyring-Polanyi势能面，简称LEP势能面。
• 态-态反应是从微观的角度，观察具有确定量子 态的反应物分子经过一次碰撞变成确定量子态的生 成物分子时，研究这种过程的反应特征，需从分子 水平上考虑问题。
• 为了选择反应分子的某一特定量子态，需要一 些特殊设备，如激光、产生分子束装置等，对于产 物的能态也需要用特殊的高灵敏度监测器进行检测 。
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• 另一种是Sato又在这个基础上进行了修正，使势垒
顶端不合理的势阱消失，这样得到的势能面称为
London-Eyring-Polanyi-Sato势能面，简称LEPS势能面
。
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•12
反应坐标(reaction coordinate)
• 反应坐标是一个连续变化的参数，其每一个值都
对应于沿反应体系中各原子的相对位置。如在势能
分子反应动态学 态-态反应
交叉分子束装置示意图
直接反应碰撞
•向前散射
形成络合物的碰撞 •向后散射
•喷嘴源 溢流源 速度选择器 散射室 检测器 速度分析器
红外化学发光
激光诱导荧光
•*
•28
分子反应动态学
molecular reaction dynamics 化学反应的三个层次：
1.复合反应
2.基元反应
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•23
热力学方法计算速率系数
•*
•24
活化焓与实验活化能的关系
•对凝聚相反应：
•对气相反应： •(设n为气相反应物分子数)
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•25
过渡态理论的优缺点
•优点：•1.形象地描绘了基元反应进展的过程；
•2.原则上可以从原子结构的光谱数据和势能面计算宏 观反应的速率常数；
•3.对阿仑尼乌斯的指前因子作了理论说明，认为它与 反应的活化熵有关；
3.态－态反应
分子反应动态学以研究态－态反应为重点， 从微观层次认识基元反应的基本规律。研究 具有确定量子态的反应物分子经过一次碰撞 变成确定量子态的生成物分子过程的反应特 征。
•*
•29
态-态反应（state to state reaction）
• 在宏观动力学的研究中所得的结果是大量分子 的平均行为，只遵循总包反应的规律。
家李远哲建立的交叉分子束方法是分子动
态学最基本、最重要的实验研究方法，由
于他们在化学动力学方面的杰出贡献，分
享了1986年诺贝尔化学奖。
•*
•31
•分子动态学主要研究: •（1）分子的一次碰撞行为及能量交换过程 •（2）反应几率与碰撞角度和相对平动能的关系 •（3）产物分子所处的各种平动、转动和振动状态 •（4）如何用量子力学和统计力学计算速率系数。
装置中有两个束源，各自给出的分子束运动 方向互成直角。
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•37
•喷嘴束源
• 装置内气体压力很高，突然以超声速向真空作绝热膨胀，分子的 热运动变成有序的直线运动，分子束具有较大的平动能。
• 气体经绝热膨胀后温度比较低，分子的转动和振动基本处于基态 。
• 喷嘴源给出的分子束的速率分布较窄，不需再加选速器，通过调 节源内的压力可改变分子束的速度。
的选速盘。 •（3）散射器，两束分子交叉的中部为反应散射室。 •（4）检测器，在360o立体角范围内检测碰撞后的结果。 •（5）速度分析器，检测产物的速度分布、角分布和平动能分布。
•*
•36
分子束源
• 用以提供反应分子束，主要有两种结构的分 子束源：
扩散束源
喷嘴束源
整个分子束装置的压力均维持在大约0.1Pa 的低压，以使分子束有足够的自由行程，在 达到反应室之前不会发生分子间的碰撞。
•≠
•势能面投影图
•*
•15
• 靠坐标原点(O点)一方，随着原子核间距变小，势能急剧升高，
是一个陡峭的势能峰。
• 在D点方向，随着rAB和rBC的增大，势能逐渐升高，这平缓上升
的能量高原的顶端是三个孤立原子的势能,即D点。
• 反应物R经过马鞍点T到生成物P，走的是一条能量最低通道。
•≠
•势能面投影图
•*
•38
扩散束源
• 溢流源内设加热炉，反应物在炉中加热变为蒸气，蒸气从加热炉 小孔中溢出形成分子束。
• 溢流源分子束的分子运动速度服从玻尔兹曼分布，因而具有各种 不同运动速度的分子，为使进入反应室的分子具有很窄的速度范 围，必须经选速器选速。
• 扩散束源的优点是适用各种物质，装置结构简单、容易控制；缺 点是产生的分子束流强度低，速度分布宽。
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•18
• 对于稳定分子，这四种振动方式都不会使分 子破坏。 • 但对于过渡态分子，不对称伸缩振动没有 回收力，会导致它越过势垒分解为产物分子。 • 所以这种不对称伸缩振动每振一次，就使 过渡态分子分解，这个振动频率就是过渡态的 分解速率系数。
•*
•19
统计热力学方法计算速率系数
• 过渡态理论假设： •1.反应物与活化络合物能按达成热力学平衡的 方式处理； •2.活化络合物向产物的转化是反应的决速步。
•*
•16
势能面剖面图
•沿势能面上R-T-P虚线切剖面图，把R-T-P曲线作横坐标，这就是反 应坐标。以势能作纵坐标，标出反应进程中每一点的势能，就得到 势能面的剖面图。 •从剖面图可以看出，从反应物A+BC到生成物走的是能量最低通道
，但必须越过势能垒Eb。 •Eb是活化络合物与反应物最低势能之差,E0是两者零点能之间的差 值•这。个势能垒的存在说明了实验活化能的实质。
•4.形象地说明了反应为什么需要活化能以及反应遵循 的能量最低原理。
•缺点：引进的平衡假设和速决步假设并不能符合所
有的实验事实；对复杂的多原子反应，绘制势能面有 困难，使理论的应用受到一定的限制。
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•26
2 分子反应动态学
(molecular reaction dynamics)
•*
•27
分子反应动态学简介
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•39
速度选择器
• 选速器是由一系列带有齿孔的圆盘组成，每个盘上 刻有数目不等的齿孔。 • 控制轴的转速，使符合速度要求的分子穿过齿孔进 入散射室，不符合速度要求的分子被圆盘挡住，达到选择 分子速度的要求。但这样也会降低分子束的强度。
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•40
反应散射室
• 散射室是交叉分子束的反应区间。分子束 在散射室互相交叉，发生弹性、非弹性或 反应性散射。
• 该点势能与反应物和生成物 所处的稳定态能量R点和P点相 比是最高点，但与坐标原点一 侧和D点的势能相比又是最低点 •。 如把势能面比作马鞍的话， 则马鞍点处在马鞍的中心。从 反应物到生成物必须越过一个 能垒。
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•14
势能面投影图
•将三维势能面投影到平面上，就得到势能面的投影图。 •图中曲线是相同势能的投影，称为等势能线，线上数字表示等势能 线的相对值。 •等势能线的密集度表示势能变化的陡度。
• 为了降低其它分子的干扰，散射室必须保 持超高真空。
• 在散射室周围360o全方位上均设置有检测
窗口，由检测仪接收并分析散射粒子的量
子态；或射入特定Baidu Nhomakorabea激光束，使反应束分
子通过共振吸收激发到某一指定的量子态
，达到选态的目的。
•*
•41
检测器
• 检测器用来捕捉交叉分子束碰撞后产物的散 射方向、产物的分布以及有效碰撞的比例等 一系列重要反应动力学信息。
• 用该理论，只要知道分子的振动频率、质量、核 间距等基本物性，就能计算反应的速率系数，所以 又称为绝对反应速率理论(absolute rate theory)。
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•4
双原子分子的Morse势能曲线
• 该理论认为反应物分子间相互作用的势 能是分子间相对位置的函数。 • 莫尔斯(Morse)公式是对双原子分子最常 用的计算势能Ep的经验公式：
•*
•32
分子反应动态学的研究方法
实验方法： • 交叉分子束； • 红外化学发光技术； • 激光诱导荧光；
理论方法：
轨道计算 量子计算
•*
•33
交叉分子束 crossed molecular beam
交叉分子束是研究分子碰撞的理想方法。
实验方法基本原理：
使两股相互垂直的分子束相互交叉，在
交叉区间发生反应碰撞或非反应碰撞，
•势
•能
•≠
•反应坐标
•*
•势能面剖面图
•17
三原子体系振动方式
• 线性三原子体系有三个平动和两个转动自由度， 所以有四个振动自由度: • (a)为对称伸缩振动，rAB与rBC相等； • (b)为不对称伸缩振动，rAB与rBC不等； • (c)和(d)为弯曲振动，分别发生在相互垂直的两个 平面内，但能量相同。
原子与分子物理前沿专题1
1 过渡态理论
•*
•2
过渡态理论
过渡态理论 双原子分子的莫尔斯势 能曲线 三原子分子的核间距 势能面 势能面的类型
反应坐标 马鞍点
势能面投影图 势能面剖面图 三原子体系振动方式 统计热力学方法计算速率 系数 热力学方法计算速率系数
活化焓与实验活化能的关系
过渡态理论的优缺点
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•6
双原子分子的莫尔斯势能曲线
•双原子分子的莫尔斯势能曲线
•*
•7
三原子分子的核间距
•以三原子反应为例: • 当A原子与双原子分子BC反应时首先形成三原子分子 的活化络合物，该络合物的势能是3个内坐标的函数:
• 这要用四维图表示,现在令
∠ABC=180°,即A与BC发生
共线碰撞,活化络合物为线型
•*
•3
过渡态理论(transition state theory)
• 过渡态理论是1935年由艾林(Eyring)，埃文斯 （Evans）和波兰尼（Polany)等人在统计热力学 和量子力学的基础上提出来的。 • 他们认为由反应物分子变成生成物分子,中间 一定要经过一个过渡态,而形成这个过渡态必须吸 取一定的活化能，这个过渡态就称为活化络合物 ，所以又称为活化络合物理论。
•30
• 微观反应动力学起始于二十世纪三十年代 ，由Eyring，Polanyi 等人开始，但真正发 展是在六十年代，近代光谱技术、分子束 技术、激光技术和大型高速电子计算机的 出现，使得微观反应动力学无论从理论上 还是实验上，均进入了一个新的时代
• D.R.Herschbach(赫施巴赫)和美籍华裔科学
• 式中r0是分子中双原子分子间的平衡核 间距,De是势能曲线的井深,a为与分子结构 有关的常数.
•*
•5
双原子分子的莫尔斯势能曲线
• AB双原子分子根据该公 式画出的势能曲线如图所示 。•当r>r0时,有引力,即化学键力。
•当r<r0时，有斥力 。 • 时的能级为振动基态能级，E0为零点能。
• D0为把基态分子离解为孤立原子所需的能量， 它的值可从光谱数据得到。
分子，则EP=EP(rAB,rBC),就可
•A
用三维图表示。
•*
•C
•B
•8
三原子分子的核间距
•C
•A
•*
•B
•9
势能面
• 对于反应:
• 令∠ABC=180o, EP=EP(rAB,rBC)。
•随着核间距rAB和rBC的变化 ,•势能也随之改变。 • 这些不同点在空间构 成高低不平的曲面，称 为势能面，如图所示。
• 以三原子反应为例,设n≠是导致络合物分解
的不对称伸缩振动的频率,其数值很小(可假定
hn≠<<kBT).
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•20
统计热力学方法计算速率系数
•*
•21
统计热力学方法计算速率系数
•根据用统计热力学求平衡常数的公式：
•从f≠中分出不对称伸缩振动的配分函数
•*
•22
热力学方法计算速率系数
•是反应物与活化络合物达成平衡时的平衡常 数。