原子分子介质中自发和受激共振X射线拉曼散射过程研究

The resonant X-ray scattering (RXS) spectroscopy is one of the most powerful tools to probe the electronic structure of matter, which has been widely used in the fields of atomic and molecular physics, surface physics and condensed matter physics. The interaction between the liquid molecules is more complicated compared with gaseous molecules. The RXS spectra of liquid molecules can be used to reveal how the liquid environment can affect the molecular electronic structure and chemical bonding, which is the key scientific problem in synthetic chemistry and solution chemistry. This project aims to develop the theory of multi-mode resonant X-ray Raman scattering in liquid phase based on ab initio calculations, and apply the theory to study the RXS spectra of liquid acetone, aqueous acetone and water molecules. Then, establish the relationship between the intermolecular interactions (collisions, electrostatic interactions, hydrogen bonding) as well as the polarity of the solvents and the RXS spectrum of molecules. On the other hand, in this project the stimulated resonant Raman scattering (SRRS) of the X-ray free-electron laser in the atomic medium is characterized based on the semi-classical theory of the interaction of light with matter, to explore the micro-mechanism of the interaction between XFEL laser and atoms. This project belongs to the cross subject of the atomic and molecular physics and optics, which is significant not only for perfection of the relationship between molecular structure and RXS spectra but also for exploring the design and application of the XFEL laser.

共振X射线散射（RXS）光谱技术是探测物质电子结构最强有力的工具之一，已广泛应用于原子分子物理、表面物理、凝聚态物理等领域。与气相分子相比，液态分子间的相互作用机制较为复杂。研究液态分子的共振X射线散射光谱，可以揭示液态环境对分子电子结构和化学成键有何影响，这是合成化学和溶液化学急于解决的关键问题。本项目致力于发展基于从头算的液态多模式RXS理论，并用于研究液态丙酮、水溶丙酮及水分子的RXS光谱，建立分子间的相互作用（碰撞、静电相互作用、氢键相互作用）及溶剂极性与RXS光谱的关系。另一方面，基于光与物质相互作用的半经典理论，对X射线自由电子激光（XFEL）在原子介质中的受激共振拉曼散射（SRRS）过程进行动力学表征，探索XFEL激光与原子介质相互作用的微观机制。本项目属于原子分子物理与光学交叉领域，对完善分子结构与RXS光谱的关系、探索XFEL激光的设计和应用有重要意义。

随着高强度X射线源和激光技术的迅速发展，共振X 射线拉曼散射（RXS）光谱技术已成为探测物质电子结构和核动力学研究的重要工具。本项目一方面通过理论研究氧气分子和液态丙酮的共振X射线拉曼散射光谱，揭示了RXS光谱形成的微观机制。另一方面，我们通过建立理论模型，对高强度的X 射线自由电子激光（XFEL）在氩原子介质中的受激共振拉曼散射过程进行了动力学表征。.取得的主要研究成果包括：（1）成功地揭示了氧气分子RXS光谱中振动谱线的各向异性来源于共振-非共振散射通道间的干涉效应。对于高能X射线散射，共振-非共振散射通道间的干涉效应更明显，为核动力学研究提供了一种新工具。（2）通过探讨液态分子间的相互作用及实验条件，建立了液态RXS散射理论，成功地解释了液态丙酮RXS光谱的展宽机理。研究表明，液态丙酮RXS光谱展宽主要是室温引起的粒子数的玻尔兹曼分布所致，液态环境展宽存在但是较弱。我们预言对于极性较强的溶剂，如水溶丙酮，环境展宽将成为RXS光谱展宽的主要机制。（3）从理论上研究了X射线光谱与相关能态波函数之间的映射关系，为重建势能曲线和核动力学研究提供了一定的指导依据。（4）从理论上研究了X射线光谱中的转动多普勒效应，研究表明转动多普勒效应对分子的对称性非常敏感。对高能X射线光谱，多普勒展宽不可忽略。（5）考虑XFEL激光引起的光电离、俄歇电子发射等强场效应，我们理论模拟了XFEL激光在氩原子蒸气中的传播过程。从激光场对原子介质的做功角度，揭示了XFEL激光与原子介质相互作用的微观机制，同时探索了啁啾脉冲对XFEL激光压缩特性及俄歇电子产率的影响。.基于本项目的研究成果，目前共发表论文6篇（其中SCI论文4篇），还有部分成果待发表。本研究属于原子分子物理与光学交叉领域，对于完善分子结构与RXS 光谱的关系，探索XFEL 激光的应用有重要意义。