2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of time resolved atomic momentum spectroscopy for visualization of chemical reaction dynamics
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15H03762
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
山崎 優一 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00533465)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 時間分解分光 / コンプトン散乱 / 波動関数 / 核波束 / 反応動力学 / 電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、光化学反応途中における孤立分子内原子核の運動量分布の変化、すなわち過渡状態振動波動関数が運動量空間において時間発展する様をスナップショット的に観察する新規分光手法を開発・確立することである。この目的のために、安定状態にある原子核の運動量分布を与える原子運動量分光を、過渡不安定状態をも対象とする手法へと展開を図り、化学反応を追跡するのに必要な時間分解能（1 ps）ならびに原子運動量分光に必要なエネルギー分解能（約0.5 eV）の両者の要件を満たす時間分解原子運動量分光装置を試作する。
本年度は、昨年度に性能評価実験を完了した超高感度マルチチャンネル型原子運動量分光装置を用いて、安定状態における原子核運動の研究を系統的に行った。具体的には基底状態の希ガス（He, Ne, Ar, Kr, Xe）および二原子分子（H2, D2, N2, O2）を対象とした原子運動量分光実験を行い、スペクトル形状に対する分子の重心運動（並進運動）と内部運動（回転および振動運動）の寄与を明らかにすることを試みた。その結果、ヘリウム以外の希ガス原子については、並進運動の寄与は、現状の実験分解能（約0.6 eV）と比べて無視できるほど小さく、よって、キセノン原子のスペクトル形状を装置関数として利用できることが分かった。そこで、二原子分子を調和振動子で近似し、その振動運動に対するコンプトンプロファイルを空間平均して装置関数でたたみ込むことで、実験結果と比較しうる理論的スペクトルを求めた。こうして得た理論スペクトルは複数の二原子分子のスペクトルを統一的に再現し、このことはすなわち、実験データから二原子分子の振動運動に関する情報を抽出できることを強く示唆している。これらによって、本分光の時間分解化により化学反応中の原子運動の可視化を目指す上での、大きな成果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、装置試作による新しい実験手法の開発が大きなウェイトを占めるため、4年の研究期間のうち3年間を費やして、安定基底状態の分子を対象としたピコ秒パルス電子線による原子運動量分光をシステムとして立ち上げる予定としていた。本年度は、パルス電子線による実験を開始する予定であったが、電子線のパルス化に進む前に、実験データに含まれる分子の重心運動（並進運動）と内部運動（回転および振動運動）の寄与を明らかにすることを優先し、希ガス原子ならびに二原子分子を対象とした系統的研究を行った。その結果、研究実績の概要欄にて詳述したとおり、分子の並進運動とその異方性が実測スペクトルにどのように現れるかを明らかにし、さらに、二原子分子のスペクトル形状が分子振動の原子運動量分布から統一的に理解できることを示した。したがって、当初予定していたパルス電子線を用いた実験の開始が遅れているものの、化学反応途中の原子運動の可視化には不可欠な実証が得られたため、本研究課題の進捗としては、おおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策として次の3つの研究課題を段階的、あるいは並行して進めていく。それらは、（１）これまでに開発してきた原子運動量分光装置と時間分解分光とを融合し、時間分解原子運動量分光をシステムとして完成させる、（２）過渡状態の原子・分子を対象として本手法の原理実証実験を行う、そして（３）実験データと直接比較しうる理論スペクトルの一般的計算法を開発することである。
（１）についてはまず、時間分解化に不可欠なピコ秒パルスプローブ電子銃を本分光法に特化した形に開発し、フェムト秒ポンプレーザーとピコ秒パルス電子線との時間的同期を取った上で、信号計数率の最適化を進めていく。そのためには、研究代表者らが有する、時間分解(e, 2e)「電子」運動量分光の開発を通じて培ってきた基盤技術を最大限に利用する。（２）は、現状の装置の性能を加味した上で、過渡状態の信号を捉えるのに最も適した系を選択する。まずは、時間分解(e, 2e)電子運動量分光において成果が得られている、アセチレンやトルエンなどの不飽和炭化水素分子の電子励起状態における分子振動や、アセトン重水素置換体の光誘起三体解離反応における炭素と水素原子の運動量分布の変化を捉えることを第一の対象とする。一方で、こうした電子励起状態や解離・異性化などの化学反応のみならず、強レーザー場との相互作用系等も候補として考慮する。（３）では分子線の並進速度分布、分子回転による空間平均、および振動波動関数を全て考慮し、分子中の構成原子のコンプトンプロファイルを理論的に求める一般的手法を開発する。さらに、開発した理論解析法を不安定過渡状態をも対象とするように拡張・発展させる際には、反応動力学理論の専門家などとの共同研究等も視野に入れながら進める。
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