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Joseph
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Joseph 發問時間: 科學其他:科學 · 2 0 年前

李遠哲博士研究的[交叉分子束]是什麼阿?

李遠哲博士研究的[交叉分子束]是什麼阿,還得到了諾貝爾獎耶

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  • 匿名使用者
    2 0 年前
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    由交叉分子束到化學反應的微觀機制

    原子與分子科學研究所研究員 劉國平

    化學反應與我們日常生活息息相關,也無時無刻不在進行。譬如

    說汽車引擎及廚房裡瓦斯爐中的燃燒化學,空氣的污染及最近廣為

    人知的臭氧洞問題和溫室效應,乃至許多生活必需品的生產等均牽

    涉到化學反應。我們目前已知道這些巨觀的現象事實上是由許多的

    基元反應所組成。欲對這些巨觀現象有進一步地認識或較好的控制

    ,則須先瞭解這些基元反應是如何地進行。藉由反應速率與週邊環

    境、如溫度、壓力等的變化函數,傳統的化學動力學家從中得到一

    些基元反應機制的訊息,即是什麼樣的分子間的作用力在驅動這些

    反應的進行。

    但是傳統的動力學方法有其不足的地方。譬如說一些較複雜的基

    元反應往往會受到次反應(即反應生成物進行另一基元反應)的干

    擾;故往往不易釐清所欲探討的反應的機制。同時自微觀的角度來

    看,分子內的運動(如轉動、振動)是以量子態的方式存在,這些

    不同的量子態對化學反應有著不同的影響力。當溫度變化時,不但

    分子間的相對移動能的分佈會變化,分子內量子態的分佈也會不同

    。若單從反應速率與溫度變化的測量,則不易得知速率的變化是受

    到分子間移動能或其中某個反應物內的振動或轉動的影嚮。

    由於過去二、三十年來的發展,交叉分子束與雷射目前已成了我

    們在對化學反應作微觀探討時的最佳工具。交叉分子束的基本原理

    乃是我們將兩個反應物先分別形成兩束分子束,令其在真空腔體中

    交錯而過。其中極少部份的反應物則有可能在此交會點碰撞,進行

    反應形成生成物,藉由偵測這些生成物的特性,如角分佈,能量或

    量子態的分佈等,輔以理論計算結果的比較,微觀機制的訊息則可

    很明確地得知。雷射的角色則是應用其卓越的特性來輔助我們對反

    應物及生成物的認定與測量。我們院長即因他在此一領域的長期卓

    越貢獻於1986年榮獲諾貝爾獎。

    我們實驗室的興趣在於探討小分子化學反應的微觀機制。特別是

    關於一些不穩定自由基的活性。最近我們作了些CN與D2的反

    應研究(CN + D2→DCN + D)。我們先用雷射光解的方式產

    生CN自由基,經由超音速噴射的過程,形成一極冷(2 - 3K)的分

    子束--即百分之八、九十的CN分子均無轉動、振動能。此分子束與

    另一D2分子束交叉碰撞形成生成物。我們結合了雷射光譜的

    技術(共振離子化(resonance-enhancedmultiphoton ionization)

    及都卜勒效應( Doppler effect) )與離子飛行時譜

    (ion time-of-flight spectrum) 的方法來偵測其中一

    生成物,D 原子,在空間中的三維速度分佈。在這些飛行時譜上

    很明確地顯現了一些波峰。

    藉由能量及動量守恆的原理,這些波峰可被訂為另一生成物(即

    DCN)的量子態。我們發現大部份的DCN是以激發的C-D 振動及

    D-C-N角振動狀態下形成,卻無C-N的振動。且DCN的角分佈亦視其為

    C-D振動態或D-C-N角振動態而很不一樣。這些觀測,多原子生成物

    量子態的角分佈,亦是首次在實驗室中被達到。另外有許多其他的

    實驗跡象指出激發的角振動DCN 之形成是與 CN 反應物的轉動(我

    們的CN分子束雖然只有2-3K,但仍有十幾個百分比的CN是在轉動的

    激發態中)有著密切的關係。目前我們正試者進一步的實驗以期對

    此關聯性有更深一層的瞭解。

    有人曾開玩笑地說,諾貝爾獎在某一領域的頒發往往是宣告此一

    領域的死期。但徜徉於分子碰撞中二十幾年,至今我們依然從中得

    到無窮的樂趣,且益發感受到化學反應的多采多姿。

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  • 2 0 年前

    交叉分子束的基本原理

    乃是我們將兩個反應物先分別形成兩束分子束,令其在真空腔體中交錯而過。其中極少部份的反應物則有可能在此交會點碰撞,進行反應形成生成物,藉由偵測這些生成物的特性,如角分佈,能量或量子態的分佈等,輔以理論計算結果的比較,微觀機制的訊息則可很明確地得知。要得到化學反應機制資訊的主要方法就是化學動力學,也就是測量化學反應速率與溫度、壓力、反應物濃度、反應介質的關係。而交叉分子束方法是當前研究化學動力學的重要工具之一。

    分子束方法在1960年才試驗成功;而交叉分子束方法起初只適用於鹼金屬的反應,後來由李遠哲在1967年與赫休巴赫共同研究,將它發展為研究化學反應的一種通用且有效的工具。他們由於成功地使用兩個交叉的具有確定方向和能量的分子束,來研究極短時間內分子間反應的細節,而獲得1986年諾貝爾化學獎。

    李遠哲所設計的「分子束碰撞器」和「離子束碰撞器」,已能深入了解各種化學反應的每個階段過程,使研究者得以在分子水平上研究化學反應的每一種狀態,為人工控制化學反應的方向和過程提供前景。

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