分子反应动力学

1. 分子反应动力学 Molecular Reaction Dynamics 鲁东大学研究生课程

2. 讲师简介 马晓光： 毕业于四川大学原子分子物理研究所，师从孙卫国教授。 感兴趣的研究方向： 1、激光与凝聚相原子分子的相互作用 2、激光核聚变的理论模拟 3、分子和固体的电子结构计算和分子动力学模拟 4、分子振转光谱和非绝热反应动力学 毛主席说： “有了学问，好比站在山上，可以看到很远很多东西； 没有学问，如在暗沟里走路，摸索不着，那会苦煞人。”

3. 课程基础 量子力学 碰撞理论

4. 需要从物理学的角度看化学反应过程 出发点： 从更广义的角度来看，微观反应不但包括原子和分子之间的反应，还应该包括电子和原子之间的反应碰撞。那么这些碰撞运动的动力学结果本身就包含了反应过程。所以从碰撞的角度来讲，分子反应动力学这门课程叫做量子分子动力学更贴切一点。其主要讲述的是如何利用量子碰撞理论来研究弹性碰撞、非弹性碰撞以及化学反应（反应碰撞）。对于弹性碰撞，只有动量的传递，没有内能的交换过程；而对于非弹性碰撞就发生了内能的交换；对于化学变化，化学反应，一般都是发生在有大量分子的参与碰撞的环境中，讨论的是统计系综的大反应，需要用统计力学的知识来处理，那么我们要从动力学的角度来考察反应过程，必须首先对分子的单次碰撞过程研究清楚，这就需要量子力学的知识。 早在1926年，薛定鄂就说过，处理微观过程的原则和规律我们都找到了，下面就是计算的问题了。所以说，量子理论为我们提供了基本理论基础。 而在1929年，Heitler提出了H3分子反应系统的势能面，为动力学的研究提供了一个基础，人们可以通过反应体系的势能面来表达碰撞问题。 尽管量子理论为我们提供了很好的理论基础，但是，量子力学除了能精确地处理H原子以外，对于其它的体系都不能精确求解。而我们知道，反应体系至少都是三体问题。因此，分子动力学理论的进展还需要有其它的一些手段，这主要包括：大型计算机的发展，由此我们可以较精确地计算势能面；实验技术的进展（交叉分子束、激光和红外荧光等实验手段可以测定反应体系分子的振动能、平动能和转动能），这些方面都推动了分子动力学理论的不断发展。 总之，在理论上研究反应的动力学行为，用到的就是量子力学的知识。

5. 课程简介 分子反应动力学的研究手段和对象： 应用现代物理化学的先进分析方法，如激光、超高真空、光电子检测技术和计算技术等，在原子、分子的层次上研究不同状态下，如气相、凝聚相及界面体系等，和不同分子体系中，如单分子、双分子、纳米团簇和其他分子聚集体等的基元化学反应的动态结构，反应过程和反应机理。 分子反应动力学的研究不仅可以阐明分子反应过程中各种瞬态反应物和产物的结构、性质和作用，并能以态－态反应动力学，以及对分子相干态之间的作用的深入研究来阐明化学反应的内在规律。 分子反应动力学研究的重要性： • 分子反应动力学的深入发展，与激光光谱学的革命性发展及其在化学中的应用密切相关。也促进了现代激光技术、真空技术、质谱技术、电子检测和控制技术，以及大规模高速计算技术提供了发展和应用，从而成为与高技术和社会发展紧密结合的现代物理化学研究的核心内容。不仅处于知识研究的前沿，同时也处在技术发展的前沿。 • 分子反应动力学的发展，也逐步从早期的研究气相化学中的基元化学反应，逐步发展到了对凝聚相和界面等领域中的分子相互作用和化学动态过程的研究，从而产生出了飞秒激 光化学、非线性光学等新的研究方向。 • 对于复杂化学体系的分子反应动力学研究，将从根本上促进化学学科在催化基础研究、新材料的合成和应用，以及分子生物学中的化学过程的研究发展和应用。同时，理论化学动力学的发展也从对气相化学反应中的态－态化学反应的精确描述，扩展到了对复杂体系动力学理论研究的理论动力学前沿研究领域。

6. 学科发展 • 传统化学动力学（Chemical Kinetics）--- 已有一百五十多年的历史。它基本上是研究一个复杂反应体系的总（热平衡的）速率如何随反应物浓度、温度、辐射和催化剂等参数的变化，并从而设想出一套完整的反应历程，使之与速率方程相吻合。虽然这种研究方法是以原子、分子为对象，但实测的物理化学量－浓度和温度却仍然是宏观参数，笼统地说，这些反应都属于比较缓慢的反应。 • 基元反应动力学（Elementary Reaction）--- 大约七八十年以前，随着实验技术的不断完善和人们认识的不断深化，人们逐渐能够从复杂反应中抽取出所谓的基元反应来进行研究，并测定其反应速率。这些反应是非平衡的，并且又常是快速的。 • 分子反应动力学（ Molecular Reaction Dynamics ）--- 近半个世纪以来，红外化学发光技术和分子束技术应用于研究化学动力学以后，化学动力学名副其实地进入了分子水平，于是微观反应动力学应运而生。这是研究原子、分子、离子等化学类属（Chemical Species）在单次反应碰撞（Reaction Collision）过程中地反应截面、反应几率、产物角分布和反应物的能量消耗（Energy Consumption ）或产物的能量支配（Energy Disposal）等问题的一门科学。也可以说微观反应动力学是研究反应物体系在势能表面上的运动过程的科学。七十年代以来由于激光诱导荧光技术的运用以及它雨分子束技术的结合，人们已经可以把反 kon应动力学的研究深入到态态反应（State－to－State Reaction）的层次。这就是研究不同量子态（例如电子态、振动态、转动态）的反应物到不同的量子态的产物之间的反应截面或速率。这在国外已经十分活跃，而在国内也才开始不久的一项新的研究课题，具有很好的发展前景。

7. 分子反应动力学国家重点实验室 1988年由国家计委投资，在隶属于中国科学院的大连化学物理研究所和北京化学研究所建立中国科学院分子反应动力学国家重点实验室。1991年该室开始对外开放，并于1992年通过国家计委验收， 同时并聘诺贝尔奖获得者李远哲教授任实验室名誉主任。 分子反应动力学国家重点实验室主任由大连实验室主任兼任，北京实验室主任兼任重点实验室副主任。分子反应动力学国家重点实验室共有中国科学院院士五名，他们是楼南泉院士（大连）、张存浩院士（大连，北京兼职）、朱起鹤院士（北京 ）、沙国河院士（大连）、以及何国钟院士（大连）。 大连和北京两部分实验室的研究工作既各有侧重又相互渗透，总的学科方向是从原子分子层次研究化学反应的动态结构、反应过程和微观机理，并发展新的光谱、质谱等现代化学分析方法等。 重点介绍两位重要的人物

8. 邓从豪先生 邓从豪1920年10月10日生于江西省临川县，1998年1月17日于济南逝世，生前任山东大学校长、中国科学院院士。 邓从豪院士是当代著名化学家，专长量子化学与分子反应动力学，在电子相关理论研究方面所取得的成果受到中外化学家的高度评价。1993年当选为中国科学院院士，1995年被授予全国先进工作者称号。 邓从豪教授的讲课特点是侧重推理，逻辑性强，思想严密，内容新颖而充实。总是适时地介绍国内外同行及他本人的最新科研成果，使听课者很快地进入本学科的前沿。 邓从豪教授具有深厚的学术造诣和孜孜不倦的探索精神。从50年代初他就开始了理论化学的研究，并在这一崭新学科领域里辛苦探索了半个世纪。1963年至1965年，他参加了著名化学家唐敖庆教授主办的“物质结构学术讨论班”。70年代末，他所提出的“过渡态和产物态相互作用的矩阵元”被学术界称为一条新的化学动力学原理。电子相关是目前世界上公认的量子化学理论中重要而又最困难的问题之一，80年代以来，邓从豪教授主要从“选择相关函数的条件”、“修正的Hartree-Fock方程”等不同角度研究电子相关问题，经过近二十年艰苦卓绝的探索，终于取得了重大突破，他以超球坐标下的超球谐和广义拉革尔函数两个完备基作展开，获得了对多电子原子、分子schrodinger方程的直接求解。该方法开辟了严格求解多体化学体系的新途径，为精确理解与电子相关有联系的化学物理问题奠定了基础。

9. 邓从豪先生（1920－1998）

10. 李远哲先生 李远哲，1936年11月29日生于中国台湾省新竹市，1961年在台湾清华大学原子科学研究所考获硕士学位。1962年赴美国柏克莱加州大学，在化学系读博士班。1965年获得博士学位后，加入劳伦斯．柏克莱实验室做博士后研究，1967年转到哈佛大学继续博士后研究。1968年，受聘于芝加哥大学，任化学系助理教授，1971年任副教授，1973年任教授。1974年以后在柏克莱加州大学化学系任教授，同时担任劳伦斯．柏克莱实验室高级主任研究员。1979年当选美国国家科学院院士。1980年当选为中央研究院院士。1994年被聘为中央研究院院长。　　 李远哲主要从事化学动态学的研究，在化学动力学、动态学、分子束及光化学方面贡献卓著。分子束方法是一门新技术，1960年才开始试验成功，交叉分子束方法起初只适用于硷金属的反应，后来由李远哲在1967年同赫休巴赫教授共同研究创造，把它发展为一种研究化学反应的通用的有力工具。此后十多年中，又经李远哲将这项技术不断加以改进创近，用于研究较大分子的重要反应。他所设计的“分子束碰撞器”和“离子束碰撞器”，已能深入了解各种化学反应的每一个阶段过程，使人们在分子水平上研究化学反应的每一个阶段过程，使人们在分子水平上研究化学反应所出现的各种状态，为人工控制化学反应的方向和过程提供新的前景。　　 　　李远哲曾获得美国化学学会的哈里逊豪奖、彼得．德拜物理化学奖、美源都的劳伦斯奖、美国国家科学奖、英国皇家化学佰法拉第奖和1986年诺贝尔化学奖等。此外，李远哲获得各国学术团体、大学授予之荣誉博士、荣誉教授、荣誉讲座、杰出校友等荣誉名衔数十项。

12. 分子碰撞理论 李远哲 微观反应动力学 邓从豪 教本来源 • 经典入门教材 : 列文和伯恩斯坦所著《分子反应动力学》--- 介绍了分子反应动力学的基本概念、实验技术和基本理论原理，为继续深化对微观反应动力学的学习提供了很好的入门材料。 • 我的学习笔记 : 孙卫国 马晓光

13. 推荐读物 1、R. D. 列文、R. B. 伯恩斯坦，《分子反应动力学》，1986年5月，科学出版社出版 2、俞书勤，《微观化学反应》，1985年2月，安徽科学技术出版社出版  3、R. D. Levine, “Molecular Reaction Dynamics”, December 2004, Cambridge University Press  4、R. B. Bernstein, “Chemical Dynamics via Molecular Beam and Laser Techniques”, 1982, Clarendon Press, Oxford University Press  5、谭辉玲等编译，《基元反应动力学》，1989年1月，重庆大学出版社出版 6、王琪编著，《化学动力学导论》，1982年3月，吉林人民出版社出版 7、周鲁等编著，《分子反应动力学基础》，1990年12月，成都科技大学出 版社出版 

14. 教学安排 • 反应动力学概论（16） • 分子结构与势能函数（10） • 弹性散射理论（12） • 激发散射理论（12） • 反应散射理论（10） • 经典轨迹方法（12）

15. 学生情况