共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 ラジカルの低温氷での化学反応過程
新規・継続の別 継続（平成25年度から）
研究代表者／所属 九大院総理工
研究代表者／職名 准教授
研究代表者／氏名 薮下彰啓

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 川崎昌博 名大太陽研 客員教授

2

 奥村将徳 京大院工 M2

3

 山崎元気 京大院工 M1

4

 渡部直樹 北大低温研

5

 羽馬哲也 北大低温研

研究目的 　木星の第2衛星であるエウロパで過酸化水素（H2O2）が観測されている。エウロパの表面は氷に覆われており、電子、イオン、光子のような放射線にさらされている。室内実験によりH2O氷の放射線分解によってH2O2が生成し、また逆にH2O2氷の放射線分解によってH2Oが生成することが報告されている。エウロパで見積られているH2O2のH2Oに対する存在比は1％未満でありH2O2はとても少ない。今回の実験ではH2O2氷の真空紫外光分解反応に着目し、その光分解断面積や反応メカニズムを明らかにすることを目的として研究を行った。
　　
研究内容・成果 　基板温度45 Kで酸素分子(O2)と水素原子(H)を同時照射することによりH2O2氷薄膜を作成した。この方法で作成するとほぼ純粋なアモルファスH2O2氷を作成することができる。さらにこの氷を約175 Kでアニールして結晶化H2O2氷を作成した。構造の異なるこの2種類の氷薄膜に重水素ランプ(中心波長160 nm付近)を照射し、H2O2の減衰量を赤外反射吸収分光法により測定した。

H2O2 + hv --> OH + OH (1)
H + HO2 (2)

10 K，45 K，90 K，130 Kの各氷温度において同様の実験を行い、得られた測定結果から求めたH2O2氷の光分解断面積(/10^18 cm^2)を以下に示す。()内は平成25年度に同様の実験を行った結果である。

　　　　　　　　　　10 K　　　　45 K　　　90 K　　　　130 K
アモルファス　9.1(7.9)　　8.6(7.6)　　8.0(8.0)　　8.1(9.7)
結晶化　　　　4.4(3.4)　　4.1(2.5)　　4.4(3.4)　　3.9(3.9)

25年度では45 Kで少し光分解断面積が小さくなる傾向があるように見えていた。しかし平成26年度に再実験を行うと温度依存性はほとんどなくほぼ一定の値であった。H2O2とH2Oの混合氷でのH2O2の193 nm光分解断面積は1–6x10^-19 cm2 程度であり、混合氷の温度を20 Kから上昇させいくに従って光分解断面積は小さくなり、100 Kあたりから再度光分解断面積が大きくなる実験結果が報告されている(Loeffler et al.2013)。この原因はOHラジカルが高温で拡散して以下の反応が起こるためであると述べられている。

OH + H2O2 --> HO2 + H2O (3)
HO2 + H2O2 --> OH + H2O + O2 (4)

我々の実験結果において光照射によるH2O とHO2の生成は確認されているが、温度依存性はほとんどなかった。また報告されている193 nmでの光分解断面積の値は我々実験結果と比較すると約1桁小さいが、これは波長によるH2O2の光吸収断面積の違いによるものである。160 nm でのH2O2の光吸収断面積は193 nmでの値と比較して10倍弱大きいので、光分解断面積も一桁大きくなったと考えられる。
　構造による光分解断面積の変化を調べると、アモルファスH2O2氷の値は結晶化H2O2氷の約2〜3倍弱となった。アモルファスと結晶化H2O2氷に光照射した際、アモルファスH2O2氷では温度によらずH2O2はほとんど分解されてしまうが、結晶化H2O2氷では分解されずに残ってしまうH2O2が存在する。このため結晶化H2O2の光分解断面積は小さな値になったと考えられる。
　基板温度45 KでO2とHを同時照射することでH2O2氷薄膜を作成している。このとき45 KでO2は基板に吸着してしまうので、O2が光分解断面積に影響を与えるのかを調べる必要がある。そこで上記の方法で作成したH2O2氷薄膜の場合、作成したH2O2氷薄膜にO2をさらに5 ML吸着させた場合、70 Kまで昇温してO2を脱離させた場合の3つの場合で計測した。光分解断面積は全てほぼ同じ値となり、O2の影響はほとんどないことがわかった。
　　
成果となる論文・学会発表等