
【化】 crossed molecular beam
交叉分子束(Crossed Molecular Beams)是物理化學中研究氣相分子反應動力學的核心實驗技術。該技術通過将兩束高真空環境下準直的分子束以特定角度交叉,精确控制反應物的碰撞能量與空間取向,從而觀測單次碰撞條件下的産物分布和反應路徑。其英文定義可表述為:"A technique where two supersonic molecular beams intersect in a vacuum chamber, enabling controlled collision studies at the quantum state-resolved level"(引自《物理化學名詞審定委員會術語手冊》)。
在實驗原理上,交叉分子束裝置通常包含分子束源、速度選擇器、散射室和四極質譜探測器(QMS)。當兩束分子(如A和B)以90°交叉時,反應産物C的角分布和速度可通過飛行時間譜(TOF)解析,進而推導出反應截面積與态-态動力學參數。1986年諾貝爾化學獎得主李遠哲團隊曾運用該技術首次觀測到F+H₂→HF+H反應的共振現象,驗證了過渡态理論的量子效應(參考《化學研究評述》1994年綜述)。
該技術的關鍵優勢體現在三個方面:
現代交叉分子束實驗常與同步輻射光源、飛秒激光技術結合,用于研究星際化學中的冷反應機制(《天體物理期刊》2018年報道)。其理論框架建立在Herschbach-Lee-Yang的散射矩陣模型基礎上,滿足公式:
$$ frac{dσ}{dΩ} = frac{|f(θ)|² + |g(θ)|²}{k_i²} $$
其中σ為微分反應截面,k_i為入射波矢量,f(θ)和g(θ)分别表示彈性與非彈性散射振幅(來源:《分子反應動力學基礎》第三版)。
交叉分子束是一種用于研究分子間碰撞反應動力學的先進實驗技術,其核心原理和應用可從以下幾個方面解釋:
定義與基本原理
交叉分子束技術通過兩個獨立的高真空分子束源,在真空反應室内以特定角度相交,使分子發生單次碰撞。這種設計避免了多次碰撞的幹擾,能精确測量散射産物的能量分布、角度分布及分子能态,從而揭示化學反應的微觀機制。
技術組成與關鍵裝置
實驗裝置包括超音速噴射系統、真空室、激光/光譜檢測設備以及質譜分析模塊。例如,通過激光誘導熒光或飛行時間質譜,可追蹤産物分子的量子态變化。現代技術還結合低溫冷卻和電磁場減速(如Stark/Zeeman效應),提升分子束的準直性和碰撞能量控制精度。
發展曆程
該技術起源于1960年代的初步實驗,早期僅適用于堿金屬反應研究,後經改進(如華裔化學家李遠哲的貢獻)拓展到複雜分子體系。例如,研究人員利用該技術解析了Ba原子與N₂O反應的化學發光過程。
應用領域
主要用于基元反應動力學研究,如燃燒、大氣化學中的關鍵反應路徑分析。其高分辨率特性還可用于探索分子間勢能面及過渡态理論驗證。
如需更深入的技術細節或實驗案例,可參考知網空間及道客巴巴的學術文獻(來源1-5)。
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