◆◇研究心得◆◇

  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 - 3	K）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-enhanced	multiphoton 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。