高速化学反应研究新系统――微微秒动态光散射激光光谱

　　（平原大学化工系，新乡453003）周建伟王天贵（大同职业技术学院化工系，大同037000）1工作原理4 Aeadjal光谱方法的时间6分辨率到微微秒数量级bookmark0高速化学反应研究新系统微微秒动态光散射激光光谱1991年诺贝尔化学奖获得者恩期特（RichardREmst）教授曾指出，“现代科学的进步，越来越多的依靠尖端仪器的发展，激光超短脉冲技术的发展，使人们有可能在微微秒（1CF 12s），甚至亚微微秒（< 12s）的时间间隔内，研究物质分子结构运动变化的各种最基本情况（见图）并在此基础上发展成为一种具有极高时间分辨率的光谱新技术一一微微秒激光光谱目前，这种光谱新技术尚处于不断发展，逐步完善的阶段，但它在揭示许多化学现象的微观景像方面，己取得了一系列令人鼓舞的实验结果，受到了化学家物理学家和生物学家的普遍重视本文特将这一新技术作一简要介组微微秒激光光谱是在”闪光光谱“方法的基础上发展起来的时间分解的闪光光谱，成了宏观化学动力学和微观化学动力学之间的桥梁我们可用闪光引发一个反应，并记录引发反应后很短时间内的反应系统的光谱目前发展起来的激光激发光谱技术，则己得到了很多分子和自由基的精细光谱，这是对分子光谱研究的重大贡献微微秒激光光谱基本原理是：用一个光脉冲对所要研究的分子体系进行微扰，将其中某种分子激发到指定的量子状态，或将特定分子的某种微观步骤运动变化有选择地引发，继之，在经过相应时间的延迟之后，用另一光脉冲对这一己被微扰的分子体系的进行吸收，散射或萤光光谱信号”跟踪“监测，分析在某一瞬间所记录的光谱信号，可了解分子体系在此瞬间所呈现的状态，综合不同瞬间的光谱资料，便可揭示有关微观过程的动态学规律。为使这一发），这种振动相干性在T2时间内可消失，学多析器记录可在不损失空分辨*通常之为为位干衰变间。一般pi首先必须有一种手段，能在微微秒的时间间隔内完成对分子体系的微扰，与此同时，还必须有一种方法，能以同样暂短的时间分辨率，对已被微扰的分子体系进一步运动变化的情况，逐步地实行探测持续时间（脉宽）为微微秒级的激光超短脉冲，就是一种可用于实行高速微扰的强有力工具。另一方面，利用它也可以对分子体系巧妙地实现微微秒时间分辨检测利用激光超短脉冲实行微微秒时间分辨检测方法，在原则上可以分为三大类：双光束交叉技术，光学取样技术和条纹照相（StreakCamera）技米双光束交叉技术，是用两个激光超短脉冲，分别在不同瞬间与被研究的分子体系相作用，其中后一脉冲用于对前一脉冲所造成的微扰进行探测，用摄谱法或光电法检测被微扰分子体系对后一脉冲所产生的吸收，或记录后一脉冲的散射光谱虽然，这种检测方法的时间分辨率和所用检测原件的时间响应特性无关，而仅取决于探测脉冲的宽度光学取样技术，是用探测脉冲驱动某种光学取样元件，例如：超高速光开关，在由前一脉冲激发分子体系而引起的萤光辐射过程中，抽取某一瞬间的萤光信号，用光电法或摄谱法记录由于所用取样技术的取样持续时间，主要由探测脉冲的持续时间所决定，因而，它和双光束交叉技术相类似，检测的时间分辨率，取决于探测脉冲的脉宽，即仍为微微秒数量级，而不受检测元件的时间分辨率限制。第三种微微秒时间分辨检测技术，是采用条纹照相系统，它是近年来才发展出来的一种超高速检测装置。工作原理是：被测光信号经过狭缝”光栏“被聚焦在条纹管的光阴极上，由此产生的光电子被邻近的阳极以极快的速度”抽取“出来，并被加速形成高速电子束。由于偏转板电压随时间迅速改变（用探测脉冲触发），当电子束通过时即在条纹管萤光屏上扫描，其轨迹可用照相机记录若将条纹管扫描出的图像，经过像增强管增强，并用光率的条件下，同时获得光谱和微微秒时单位分辨的两维谱图。

　　应当指出，不论采用哪一种技术，一个共同的问题是，怎样使微扰和探测脉冲之间精确地实现时间延迟一般说来，它可用电子学系统分别触发两个激光超脉冲光的方法实现。但更方便和精确的是光学延时法，即：将同一超短脉冲光源产生的一个激光超短脉冲分为两个部分，调节各自光路中的反射镜系统，改变它们到达指定空间微区光程，或在光路中插入某种折光指数和空气不同的透明介质，通过局部改变光速而使这一对脉冲之间造成一定的时间延迟，分别用于微扰和探测根据上述基本原理，可建立各种不同的微微秒激光光谱法时标（秒S）图分子体系的高速过程持续时间2微微秒动态光散射激光光谱微微秒动态光散射激光光谱，是用激光超短脉冲探测已被微扰的分子体系，对该脉冲的Raman散射。在这种光谱方法中，是依靠高强度激光超短脉冲的受激散射过程，对分子体系进行微扰，激发分子体系的振动自由度这些振动激发态分子发生弛豫至热力学平衡分布时间，通常可用振动激发态寿命Ti表示。但是由于激发超短脉冲本身的相干性，它对分子振动自由度进行激发时，可使激发态分子的振动位相，保持相互关连（相干激Ti，这也就意味着，在分子振动相干性消失以后，分子的振动激发仍可维持非平衡分布。分子的这种振发激发情况，通过它对另一激发脉冲在反斯托克斯（anti-Stokes）频率wAS处的自发Raman散射可予以探测。此时，具有特定振动位相的分子引起的散射是相干的，具有一定的传播方向，而无规则分子的散射并不具有相干性，它的传播是非定向的（一般可在垂直于相干反斯托克斯散射的方向检测）这样，检测经过不同时间延迟的探测脉冲在wAS处引起的相干和非相干Raman散射强度，便可分别求出振动激发态分子的激发能和振动相干性驰豫的速率。

　　利用这一方法还有可能研究振动激发态分子在分子内和分子间能量驰豫的途径用这方法研究固体中的光声子驰豫和振动带的光谱结构，也是可能的。另外，还能进行3毫微米~3微米的粒径测定，粒径分布解析和高分子的形状测定，同时还可利用以往的静态光散射测定方法进行分子量，惯性自乘半径和第2维里系数的测定在利用静态光散射法进行分子量测定时，随着精度的提高，能够进行3x1（fMw以上的分子量测定进一步利用的低角散射测定方法能够进行2x17Mw的分子量测定。

　　3小结微微秒动态光散射激光光谱，是近年才发展出来的一种实验技术根据所研究的对象和问题的不同，它有不同的实验装置因此，为使这种新技术，在高速化学反应研究中获得有效应用，高速化学反应研究工作者，必须掌握有关的基本实验技术，并善于根据实验要求设计和建立方法。目前，这种新技术在高速化学反应研究中的应用，虽然己获得了一系列以前难以，甚至根本无法获得的实验资料，然而，在发展技术自身方面，仍需付出巨大努力可以肯定，随着这一实验技术的不断发展和广泛应用，高速化学反应科学研究在微观深入方面，必将进入一个新的发展时期