| H+HD→H2+D 화학반응 중 신규 양자 현상 발견 | ||
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 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 연구팀은 "가장 간단한" 화학반응인 수소원자 플러스 수소분자의 동위원소(H+HD→H2+D) 반응에서 "간단치 않은" 화학반응 중 새로운 양자간섭 효과를 발견함으로써 화학반응 과정에 대한 심층적 이해를 돕고 화학반응에 대한 인식을 높였다. 해당 논문은 "Science"에 온라인으로 게재되었다. 연구팀은 선행 이론 연구를 통해 특정 산란 각도에서 H+HD 반응으로부터 생성된 H2(수소분자)가 충돌 에너지에 따른 매우 규칙적인 진동을 다소 나타냄을 발견하였다. 유사한 규칙적 충돌 에너지 변화에 따른 진동 현상은 실제로 적지 않은 반응의 이론 계산 결과에 출현한바 있다. 하지만 이러한 진동 모두 H+H2 반응처럼 규칙적이지 못하다. 과학계는 지금까지 이 같은 현상과 관련해 명백한 해석을 내놓지 못하고 있다. 이와 관련해 연구팀은 이론과 실험을 결합시킨 상세연구를 수행하였다. 이론적으로 양자 반응 산란 이론을 더한층 발전시켰고 또한 위상학(topology) 원리로 화학반응 발생 경로를 분석하는 방법을 창조적으로 개발하였다. 실험적으로 개선된 교차 분자빔(crossed molecular beam) 장치를 통해 비교적 높은 충돌 에너지 부위 후방 산란(산란 각도 180˚) 신호 정밀 측정을 달성하였다. 위상학적 분석 결과 이 같은 후방 산란 진동은 실제로 2개 반응 경로의 간섭에서 초래된 것으로 나타났다. 해당 2개 반응 경로 모두 후방 산란에 뚜렷한 기여를 하였지만 각자의 변동폭은 충돌 에너지 변화에 따라 유의적으로 변화하지 않는 등 한 가닥의 비교적 매끈한 곡선을 그렸다. 그 중 한개 위상은 충돌 에너지 변화에 따라 선형 증가하였고 다른 한개는 선형 감소하였다. 때문에 상호간섭의 결과는 강렬한 규칙적 진동 현상으로 표현된다. 전통적 궤적 이론으로 심층 분석한 결과 그 중 한개 반응 경로는 익숙히 알려진 직선 반응 과정에 대응하였는데 H 충돌 후 HD 중의 H 원자를 직접 빼앗아 갔다. 다른 한개 반응 경로는 로밍(Roaming) 메커니즘 유사 반응 과정에 대응하였는데 H 충돌 후 HD 중간에서 한참 회유하고 나서야 HD 중의 H 원자를 빼앗아 갔다. 상기 2개 서로 다른 유형의 반응 경로에서 생성된 수소 분자는 특정 산란 각도에서 한데 모여 간섭을 일으켰다. 이로부터 반응산물인 수소 분자가 규칙적인 진동을 일으킴을 알 수 있다. 특히 흥미로운 점은 로밍 메커니즘을 통해 발생된 반응은 충돌 에너지 연구범위에서 전체 반응성의 약 0.3% 밖에 차지하지 않는다는 점이다. 연구팀은 이론 및 실험으로 이처럼 미약한 소부분의 반응성을 또렷하게 규명하였다. 해당 연구는 한편으로 원자와 분자가 충돌로 인해 화학반응을 발생하는 과정의 양자성(quantum)을 규명하였고 다른 한편으로 이처럼 간단한 시스템에도 과학계가 알지 못하는 부분이 존재한다는 사실 즉 화학반응 경로의 복잡성을 보여주었다. 정보출처 : https://mp.weixin.qq.com/s/NoKon6H5dVjdD8-LsZvX2Q |
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