楊 雪

(吉林化工學(xué)院理學(xué)院，吉林吉林132013)

在化學(xué)反應(yīng)中會有多個化學(xué)反應(yīng)通道，生成不同的產(chǎn)物．通過化學(xué)方法可以人為控制反應(yīng)通道來獲得所需要的化學(xué)產(chǎn)物．目前較為普遍的改變化學(xué)反應(yīng)路徑的光化學(xué)方法是利用激光相位性質(zhì)的方法，主要有兩種．第一種方法是時間域方法，該方法由 Tannor和 Rice［1］提出，用于超短激光脈沖所產(chǎn)生的波包運(yùn)動．這種方法可以獲取沿分子反應(yīng)路徑的勢能面很有價值的信息，但想從所得到的優(yōu)化光場中得到分子內(nèi)部的信息目前還很困難．第二種方法是由 Brumer和 Shapiro［2］提出來的相干控制方法，是在頻域上進(jìn)行控制，利用兩束連續(xù)的長激光脈沖激發(fā)原子或分子使其從基態(tài)激發(fā)到終態(tài)．通過改變這兩束光的相位關(guān)系進(jìn)而改變化學(xué)反應(yīng)的分支比［3-5］．

丁酮的分子式為C4H8O，具有CS對稱性，是一種重要的有機(jī)溶劑，在工業(yè)、醫(yī)藥等方面有著廣泛的用途．本文利用相干控制方法，實驗上以飛行時間質(zhì)譜為手段，研究了丁酮分子的光電離和解離反應(yīng)過程．

1 實驗方法

本實驗裝置主要由五部分組成，分別為激光器、飛行時間質(zhì)譜儀、配氣系統(tǒng)、相干控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與之前所做的實驗［6］類似．丁酮的純度為99．8%，是從北京化工廠購置的商品試劑．實驗前系統(tǒng)要抽真空，實驗中使用的倍頻氣體為Xe，其純度高達(dá)99．995%，位相調(diào)制氣體為Ar，其純度為 99．99%，所用的激光波長為355 nm，能量為840 J/脈沖，通過 EMP2000激光功率計測量．

實驗中使用Nd:YAG晶體激光器，輸出光的波長為 1 064 nm，而 355 nm激光是由 KDP(KH2PO4)晶體經(jīng)過3倍頻后產(chǎn)生的，部分355 nm激光與其倍頻后所產(chǎn)生的118 nm激光共束，該光束通過調(diào)制腔的反射鏡反射到反應(yīng)室，并與分子束垂直交叉，由此產(chǎn)生的加速離子信號通過飛行時間質(zhì)譜儀接收．其輸出信號經(jīng)放大和甄別送入BOXCAR進(jìn)行積分后數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．通過改變兩光源的位相差，即通過調(diào)節(jié)Ar氣體壓強(qiáng)來控制末態(tài)產(chǎn)物．

2 結(jié)果與討論

沒有加載氣只有355 nm光存在時的質(zhì)譜如圖1(a)所示，118 nm光存在時丁酮的質(zhì)譜如圖1(b)所示．

Majumder等人曾對丁酮在多種波長的激光場作用下的多光子電離解離過程進(jìn)行過分析研究［7-9］，結(jié)合本實驗得到的質(zhì)譜圖見圖1，丁酮分子在355 nm和118 nm共同作用的激光場中可能存在以下兩種電離解離過程:

圖1 (a)僅有355 nm光存在時丁酮的質(zhì)譜圖;(b)355 nm和118 nm光共同作用時丁酮的質(zhì)譜圖

過程2:同時部分母體離子直接解離，其解離碎片繼續(xù)吸收355 nm光子電離:

(4)式的電離閾為9．84 eV，可通過吸收3個ω1或吸收一個ω3電離．

圖2是通過函數(shù)y0+kx+Asin(fx+phi)分別對和CH3CO+的離子信號隨調(diào)制氣體壓強(qiáng)的變化曲線進(jìn)行擬合后得到的．很明顯該變化曲線為正弦曲線，調(diào)制周期為Δp≈246．4±14Pa．將最大和最小的離子信號值分別帶入調(diào)制深度中得到

CH3CO+的調(diào)制深度

圖2 CH3 CO+和離子信號隨Ar氣壓強(qiáng)的變化曲線

當(dāng)改變355 nm和118 nm激光的位相差時，丁酮分子的光電離解離產(chǎn)物的產(chǎn)量隨之變化，因此得到了碎片離子CH3CO+和的調(diào)制深度，即實現(xiàn)了對它們的調(diào)制．達(dá)到了對丁酮分子反應(yīng)通道分支比的相干控制的目的．其中信號的獲得主要來自反應(yīng)通道(4)，是一個三光子過程．和CH3CO+的調(diào)制深度分別為22．74%和39．52%，在圖1中看到在沒有118 nm光存在時的信號較弱而CH3CO+的信號較強(qiáng)，另外，從圖2可知碎片離子CH3CO+比C的調(diào)制深度大，因此可以推測在母體離子的解離過程中反應(yīng)過程1起主要作用．

3 結(jié) 論

通過量子相干控制理論，利用飛行時間質(zhì)譜技術(shù)，對丁酮的電離解離過程進(jìn)行控制，得到了丁酮在兩種波長的激光作用下的質(zhì)譜圖以及兩個碎片(CH+3和CH3CO+)的離子信號隨位相調(diào)制氣體Ar壓強(qiáng)變化的正弦曲線．提出了激光作用下丁酮分子的電離解離反應(yīng)機(jī)制，并初步實現(xiàn)了對丁酮分子體系的位相相干控制．

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