交叉分子束方法

研究反应动态学的实验技术

交叉分子束方法是用来研究反应动态学的一种实验技术。

简介

交叉分子束方法用来是研究反应动态学的一种实验技术，由两个不同喷嘴喷发出两股不同的分子(或原子)束，在一高真空的反应腔中形成交叉，使分子或原子产生碰撞而散射。可以藉此探讨化学反应中的分子动力机制，以及侦测出化学反应中的分子碰撞现象。

技术与装置

在一个交叉分子束的装置中，首先必须先将两股汽化的分子(或原子)束的浓度，稀释至可以忽略其自己与自己在真空反应腔碰撞的浓度（通常真空腔中的压力仅有10E-8 torr）。如此一来，碰撞后生成物散射的方向、速度可以马上被侦测到，有时还会直接外接气态质谱仪，来测定生成物的质量。这样一次便可直接得到生成物的动量、角动量及振动态的能量分布。

沿革

交叉分子束技术是由达德利·赫施巴赫和李远哲所发展与建立起来的。他们也因此而获得1986年的诺贝尔化学奖。这个分子束的技最早是在1953年由橡树岭国家实验室的 Taylor 与Datz提出,但是，达德利·赫施巴赫与李远哲改良了设计，并开始应用来研究气态的化学反应机制。

最早的交叉分子束的实验，主要是研究碱金属，如钾、铷、铯。当散射的碱金属离子撞击到热金属丝时，它们会迅速的游离，而产生一个小电流。这是一个非常简单实用与敏感的侦测方法。可惜的是，此方法只能用来侦测碱金属离子的化学反应。新的分析方法必须建立起来去研究其他非碱金属的化学反应。李远哲设计的新型交叉分子束方法则可以用以研究非碱金属，因此被称为“Universal Crossbeam”

热金属丝用来侦测散射粒子，可以侦测到散射角度分部，但是无法侦测分子的动能. 为了得到更好的动能分布,早期的交叉分子束仪在碰撞反应中心及侦测器之间摆了很多狭缝圆盘。利用控制圆盘的转动速度，让特定散射速度的分子通过狭缝，直达侦测器。如此可得知分子的速度、角度分部以及散射分子的种类，便能逐步建立起化学反应的动力学基础。

后来的改进有合并使用四极质谱分析器去筛选有兴趣研究的分子,或是飞行时间质谱法去简化动能的测量。这些改良大大的提高侦测方法的可行性与增加了侦测的分子种类。

反应动态学

反应动态学(Reaction dynamics)，亦有译称反应动力学，是一门在物理化学和化学物理领域，研究基元化学反应的学问。有别于化学动力学(chemical kinetics)，反应动态学是研究在分子阶层、非常短时间内的过程。反应动态学的研究目的是在研究为什么化学反应会发生、如何去预测乃至控制一个基元反应的发生。实验研究通常需要与光谱学及量子化学理论计算配合才能有全盘的了解。

在1986年，达德利·赫施巴赫，李远哲与约翰·波拉尼，因为他们在化学基元反应的动态学研究，特别是在交叉分子束与红外化学发光，的卓著贡献，而受颁诺贝尔化学奖。

反应动态学的实验技术是在获取反应物在碰撞后，散射的产物之平动能分布与角分布，以及内能(电子态、振动态与转动态)的分布。也有用光谱的方法来了解反应的过渡态、用飞秒激光及其他方法来研究化学反应动态学。另外一个相关的领域是光分解动态学(photodissociation dynamics，参考光分解离子成像)，光分解反应也可以称作半反应。