利用极紫外自由电子激光研究水和二氧化碳分子的光化学

Molecular photochemistry is a fundamental subject for interstellar chemistry, atmospheric chemistry and environmental chemistry, is also important for theoretical chemistry developments. The H2O and CO2 molecules, the typical three-atom molecules for photochemistry, are ubiquitous in the interstellar space and in the Earth’s atmosphere. Their vacuum ultraviolet photochemistry is not only important for our understanding of the rise of oxygenic photosynthesis in Earth’s prebiotic primitive atmosphere, but also important for that of environmental changing. In the past fifty years, much development has been made for H2O and CO2 photochemistry, however, many major questions are still waiting to be revealed. Dalian Coherent Light Source (DCLS) is the first free-electron laser equipment operating at vacuum ultraviolet (50-150nm) region with extremely brilliance. It is also the first time to use the VUV free electron laser light for molecular photochemistry. In this project, we want to install the detection systems for Dalian Coherent Light- Molecular Photochemistry Line Station, and use this set-up to study the H2O and CO2 photochemistry systematically. Such systematic experiments can help us to understand the whole picture of H2O and CO2 dissociation.

分子光化学是星际化学、大气化学和环境化学的基础学科，在理论化学的发展中也起到了重要的作用。分子光化学研究中的典型三原子分子H2O和CO2在星际空间和地球大气层中广泛存在，其极紫外光解离过程不仅影响着我们对行星早期大气演化过程的理解，也影响着我们对地球环境变化的理解。半个世纪以来，H2O和CO2分子的光化学研究取得了惊人的进展，但是许多关键的科学问题还没有解开。大连自由电子激光光源是世界上首套专门运行于极紫外波段（50-150nm）的超强光源，而将自由电子极紫外光应用于分子光化学的研究在国际上也是首次。本项目拟建设完善基于大连极紫外自由电子激光的分子光化学实验线站，并利用实验线站装置对H2O和CO2分子进行系统性光化学研究。 这些实验有助于我们对H2O和CO2分子解离的完整图像的理解。

小分子极紫外光化学是理解宇宙早期分子演化和生命起源的关键。过去几十年来，由于高亮度、可调谐的极紫外光源(VUV)的缺乏，以及VUV光源精准定位的困难，很多小分子的极紫外光化学研究还是空白。本项目基于大连极紫外自由电子激光结合自主研制的桌面激光非线性混频技术产生的极紫外光，发展了双束极紫外光源(VUV光解-VUV探测)的实验方法。采用里德堡氢原子飞行时间谱和时间切片离子成像技术，实现了分子光化学产物全波段、全通道的高分辨测量。利用自主发展的实验方法，本项目研究了H2O和H2S等小分子的极紫外光化学动力学，首次发现了水分子光化学产氧和产氢过程，证明水光解是星际超热OH自由基和行星原始氧气的重要来源。揭示了硫化氢分子转动激发和核自旋依赖的光化学过程，从量子态分辨层次阐明了两种预解离机制，解决了长期存在的硫元素丰度的观测值偏低的问题。此外，利用大连相干光源研究了CO2分子在108nm附近的光解动力学，发现产物O(1S)+CO(X)通道。通过记录O(1S)产物的离子影像，得到CO产物的振动态分布和空间角分布。CO产物主要分布在高振动能态上，各向异性参数测量说明分子经历平行跃迁和快速的解离过程。通过本项目的实施，我们积累了利用大连相干光源开展星际分子光化学反应研究的经验，加深了分子光化学在宇宙早期演化和生命起源所起作用的理解。