近日,中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所袁開(kāi)軍研究員、楊學(xué)明院士團(tuán)隊(duì)利用大連相干光源發(fā)現(xiàn)水分子光化學(xué)反應(yīng)存在較強(qiáng)的同位素效應(yīng),這種效應(yīng)或是星云中水分子同位素分布不均勻的重要原因。
地球上的水從何而來(lái)?科學(xué)家猜想,可能來(lái)源于早期地球火山爆發(fā)釋放水蒸氣,以及彗星和隕石撞擊地球帶來(lái)星際冰。近年來(lái),地球水來(lái)自外太空的觀點(diǎn)受到諸多關(guān)注,判斷依據(jù)是水的同位素分布。一般來(lái)說(shuō),如果地球水的同位素豐度(D/H比值)與外太空彗星和隕石的豐度一致,就認(rèn)為地球水來(lái)源于這些彗星和隕石。隨著對(duì)太陽(yáng)星云中水的同位素豐度的進(jìn)一步觀測(cè),發(fā)現(xiàn)不同的星云區(qū)域,以及不同彗星上水的同位素豐度并不相同,也就是D/H值在星際空間分布不均勻。
本工作中,該團(tuán)隊(duì)利用大連相干光源結(jié)合桌面激光器產(chǎn)生的真空紫外光源,研究了水的同位素(HOD)在121nm附近的光化學(xué)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)水光解的產(chǎn)物通道H+OD和D+OH存在完全不同的量子態(tài)分布。同時(shí),實(shí)驗(yàn)測(cè)量HOD光化學(xué)產(chǎn)物通道的量子產(chǎn)率與激發(fā)光的波長(zhǎng)存在強(qiáng)烈的相關(guān)性。太陽(yáng)星云早期內(nèi)層和外層受到光照的強(qiáng)度不同,會(huì)造成這些區(qū)域HOD光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的幾率不同,隨時(shí)間演化便形成同位素在星際空間分布的不均勻性。
此前,該團(tuán)隊(duì)利用大連相干光源還發(fā)現(xiàn)了水分子光解離的諸多過(guò)程與星際化學(xué)的關(guān)聯(lián),例如發(fā)現(xiàn)電子基態(tài)的OH超級(jí)轉(zhuǎn)子是星際超熱OH自由基的來(lái)源(Nature Communication,2019)、電子激發(fā)態(tài)OH超級(jí)轉(zhuǎn)子在大氣電離層可能有重要作用(JPCL,2020)、水分子振動(dòng)態(tài)偶然共振效應(yīng)對(duì)同位素豐度的影響(JPCL,2019),高振動(dòng)激發(fā)的OH產(chǎn)物是大氣輝光的重要來(lái)源(JPCL,2020),以及發(fā)現(xiàn)水分子的三體解離可能是早期大氣產(chǎn)氧通道(Nature Communication,2021)等。
相關(guān)工作以 “Strong Isotope Effect in the VUV Photodissociation of HOD: A Possible Origin of D/H Isotope Heterogeneity in the Solar Nebula”為題,于近日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。該工作的第一作者是中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所2507組2019級(jí)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生羅子杰。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院B類(lèi)先導(dǎo)專項(xiàng)“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”﹑自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。(文/圖 羅子杰、袁開(kāi)軍)
文章鏈接:https://doi.org/10.1126/sciadv.abg7775