离子碰撞导致的有机小分子两体碎裂机制研究

Small organic molecules may fragment through many different channels such as, break-up of C-H or C-C bond, and break-up through isomerization. Ion-induced fragmentation of these molecules draws great interest in physics, chemistry and many applications fields. The development of the advanced reaction microscope made it possible to detect all the fragmented particles from dissociation in multi-coincidence, and had enhanced the understanding of ion-induced dissociation mechanisms of small molecules, especially for simple diatomic and triatomic molecules. In this project, we plan to investigate the ion-induced dissociation mechanisms of small organic molecules (e.g. C2H2 and C2H4) employing the reaction microscope in IMPCAS, Lanzhou. We will focus on the two-body break-up process induced by double capture of the projectile ion, and detect all the fragments including the scattered projectile and the two fragmented ions. In such an experiment, many dynamical parameters including kinetic energy release (KER), impact parameter, angular distribution of the fragmented ions, and alignment of the target molecule will be extracted. The dissociation mechanisms for dissociation through break-up of C-H or C-C bonds, and through isomerization will be studied in detail. This project may also help to answer what parameters could control which of the various dissociation channels becomes active during the collision.

有机小分子（如C2H2、C2H4）的解离碎裂过程涉及C-H、C-C键断裂及同分异构化等多种不同解离通道，研究离子碰撞导致这类分子的解离碎裂过程在物理、化学及诸多应用科学中具有重要意义。反应谱仪技术的发展使得对解离碎裂末态产物的动力学完全测量成为可能，其在离子碰撞导致简单双原子和三原子分子解离研究中的应用极大促进了人们对碎裂机制的认识。本申请拟基于兰州重离子加速器，将反应谱仪技术拓展到更为复杂的离子-有机小分子碰撞体系，研究炮弹离子双俘获导致的靶分子两体碎裂过程。实验通过对末态两个碎片离子和散射炮弹的三重符合探测实现对该过程的动力学完全测量，从而获得碰撞参数、动能释放KER、碎片离子角分布及分子取向等多种动力学参数。本申请将详细研究C-H、C-C键断裂以及异构化等不同通道所对应的解离碎裂机制及其与所观测动力学参数之间的关联，有可能为控制化学反应沿特定的途径发生提供参考。

在本项目的资助下，我们利用兰州重离子加速器产生的50 KeV/u的Ne8+束流研究了离子碰撞导致的乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、丙炔(HCCCH3)和丙二烯(H2CCCH2)等四种有机小分子的解离碎裂过程。实验采用反应谱仪装置实现了对散射炮弹和多个碎片离子的多重符合探测，尤其是改进之后的反应装置能够区分质量数相差1的两种碎片离子。在数据分析过程中通过对末态碎片离子的动能、动量等多种参数的关联分析详细研究了这些分子的解离碎裂过程。.在对C2H2分子两体解离过程的研究中观测到去质子化、异构化和对称解离三种两体碎裂通道，并且测得了反应过程的动能释放(kinetic energy release， KER)。另外，我们测得的KER分布谱不支持De等人的实验结果[(Phys. Rev. A 77, 022708 (2008))]。对于CH+ + CH+ 通道，我们发现动能释放谱中除了其它文献所提到的 5.2 eV 处的峰，还存在一个处于 9 eV 的峰，该峰来自于激发态(C2H2)2+解离。而且我们还首次观测到了H2+ + C2+这一截面极小的解离通道，结合理论计算发现该通道是由处于3激发态的(C2H2)2+解离而来的。此外在对C2H4的两体解离过程研究中，也观测到了多种异构化通道。借助实验装置较高的符合探测效率，我们通过完全探测末态四个碎片离子研究了C2H2分子的四体解离过程，以此检验点电荷近似模型的有效性。我们发现即使分子离子处于+7价时，末态碎片离子(H+, H+, C2+, C3+)的动能分布仍然与点电荷近似的理论计算结果存在较大偏差。.我们比较研究了C3H4的两种同分异构体丙炔(HCCCH3)和丙二烯(H2CCCH2)的两体解离过程。与中性的C3H4分子存在HCCCH3和H2CCCH2两种稳定结构不同，对于二价的C3H4离子，丙二烯结构(H2CCCH2)2+较为稳定，当丙炔处于二价时(HCCCH3)2+结构将向(H2CCCH2)2+结构转化。.有机分子广泛存在于宇宙和自然界中，上述研究成果不仅对于理解C-C、C-H键的断裂，同分异构化等基础的物理化学过程具有重要意义，同时能在等离子体物理、地球或行星的大气化学以及有机体的辐射损伤等多个交叉学科中得到应用。本研究工作所建立起来的实验方法同时能够推广到其他有机分子体系。