超低温下测量原子间作用力,能否破解化学反应的奥秘?

电子产品世界网 2019-07-26

超低温下测量原子间作用力,能否破解化学反应的奥秘?

所谓化学反应,就是一堆原子和分子,在原子间的作用力的影响下,开始重新排列组合,并改变各自状态的故事。

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所以从理论上讲,我们可以用描述原子间作用力的物理规律——量子力学——破解每个化学反应的过程。

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然而,虽然量子力学已经诞生了100多年,但科学家还是没有搞清楚,原子之间的作用力究竟是什么样的。这是因为,原子间的作用力实在是太复杂了。

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一、原子的作用力为什么复杂

原子间的作用力为啥这么复杂呢?其中主要有两个原因。

第一个原因是,原子的成员太多。你可不要以为原子是一个实心小球。原子可复杂了,里面有原子核,还有一大堆核外电子。

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而且,这一大堆玩意儿不是随随便便凑在一起。它们是在量子力学的法则下,通过原子内的作用力,组成了一个复杂的量子系统。

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第二个原因,是原子内各个成员的小动作太多。比方说,许多原子核有好几种办法自转,每个核外的外层电子可以在几个空轨道之间乱窜。

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根据量子力学,两个原子就算成员一模一样,只要成员的运动状态不一样,它们产生的作用力就会不一样。

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然而,两个原子的作用力还不是最麻烦的。在化学中,我们会经常遇到三个原子、四个原子的化学反应。

如果你把好几个原子搁一块儿,把它们主要成员之间的作用力都算上,再考虑到每个成员的运动状态不一样……

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最后你会发现,越算越麻烦,根本不可能用量子力学算清楚其中的作用力到底有多大。别说你算不清楚,就算经典计算机都算不清楚。

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那么,科学家真的没有办法研究多个原子之间的作用力了吗?

二、团伙的内部活动

办法倒是有一个,只不过不是直奔主题,而是先绕一个小弯儿,通过研究原子组团后的内部活动,进行间接测量。

比方说,假如几个原子通过原子间的作用力结合在一起,形成了一个原子团伙。

此时,你要是给它们施加一点儿能量,它们通常会借着这股劲儿,开展各种内部活动。比如,

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当然,如果施加的能量太大,这个原子团伙肯定还是会散伙儿。

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但如果施加的能量足够小,它们就不会散伙儿,因为原子间的作用力把它们团结在了一起。

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原子团伙有了能量以后仍然没有散伙的状态,叫作束缚态。研究原子间作用力的办法,就藏在原子束缚态的内部活动之中。

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打个比方,这就好比一伙儿人组成了一个社会团伙。如果他们啥也不干,你肯定搞不清楚他们组成的是什么性质的团伙,是什么样的力量把他们凑到一块儿的。

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这个时候,你要是给他们一笔小钱(相当于给原子团伙一点儿能量),再观察他们会拿钱干什么事,问题就解决了。

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如果他们跑去抽烟喝酒烫头,那他们就是狐朋狗友团伙,靠酒肉的力量维系。如果他们跑去买仪器做实验办论坛,那他们就是科研团伙,靠科学的魅力维系。如果是去唱歌跳舞听戏,那他们就是文艺团伙,靠艺术的张力维系。

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同样的道理,为了研究原子间的作用力,科学家就必须想办法让原子形成的束缚态,然后观察它们会如何开展内部活动。如果两种原子团伙的内部活动不一样,那就说明维系这两个团伙的作用力不一样。

那么,到底如何才能搞清楚这种束缚态的内部活动呢?

三、费什巴赫共振:

一种巧妙的研究办法

这个问题的研究办法倒是有很多。但哪一种办法都没有我们今天介绍的办法巧妙。这就是以德国核物理学家费什巴赫冠名的

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我们的生活中经常会见到各种共振的现象。比如,如果你敲一个音叉A,会引起其他音叉也发生振动。但这不是共振。

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如果其中有一个音叉B,它的特征频率刚好和音叉A完全相同,那么音叉B的振动幅度就会格外的大,大得好像你连音叉B也敲过。这就叫作共振

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费什巴赫共振也是一种共振现象。它的意思是说,首先,如果你把几个原子凑在一块儿,这些原子原本会有一定几率转化成各种各样能量更低的状态,比如抽烟、喝酒、烫头……当然,它们也可能什么也不干,继续保持原样。

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此时,如果你通过调节外部磁场的大小,使得这几个原子的总能量,刚好等于喝酒状态的能量,那么它们形成正在喝酒的束缚态的概率就会突然增大,就好像它们就是奔着喝酒来的。这就是费什巴赫共振。

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总而言之,费什巴赫共振就是,两堆原子状态不同,但它们总能量基本相同,这两堆原子之间就会相互转化,发生一种量子力学意义上的共振。

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在实验中,如果自由散漫的原子之间发生了费什巴赫共振,实验结果就会呈现一个峰值。

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如果通过调节磁场,突然发现这么一个峰值,就说明原子发生了费什巴赫共振,就代表科学家找到了它们内部活动的一种方式。

如果科学家完全找到了它们内部活动的所有方式,那么科学家就从实验上破解了这几个原子之间的相互作用力。

四、NaK分子和K原子的

首次散射共振

总结一下,要想研究多个原子之间的作用力,靠理论计算太困难了。科学家希望通过实验的办法,找到原子组团以后的所有内部活动方式,然后再从中反推原子间作用力的特征。

其中最巧妙的实验办法,就是利用费什巴赫共振,直接让自由的原子转化成正在进行某个内部活动的束缚态。

万事俱备,可以开动了!

于是,2019 年,中国科学技术大学潘建伟、赵博研究组在《科学》杂志上发表了一篇实验论文。

他们用上面说的那种实验方法,在 0.0000005K 的超低温下,首次研究了 NaK 分子和 K 原子的费什巴赫共振。换句话说,他们第一次在实验中,间接地测量了 NaK 分子和 K 原子之间的作用力。

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在这个实验之前,许多科学家用超低温实验研究过两个原子间的作用力。但科学家还没有直接用超低温实验研究过原子和分子之间的作用力。所以,研究组的实验,是第一次测量原子和双原子分子之间的作用力

简单地说,这个实验就是把各种状态的NaK分子,和数量多10倍的、各种状态的自由K原子关在一起,看看他们什么时候会刚好撞成“K-Na-K”组团的状态。

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当然,直接撞肯定是不行的。研究组还要在实验中加入不同强度的磁场,通过磁场来调节碰撞前后的能量差异。因为只有二者能量调得刚好一样时,费什巴赫共振才会发生。

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结果,研究组在不同状态的NaK分子和K原子的4×5=20种组合中,在43~120高斯的磁场之间,共发现了11种费什巴赫共振

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换句话说,他们第一次在实验中发现了 “K-Na-K”组团时的11种内部活动方式。

这些内部活动方式,反映了NaK分子和K原子之间的作用力,为理论学家研究这种作用力提供了新的实验依据。

五、在量子力学和化学之间造一座桥

这种将原子、分子冷却到绝对零度附近,并研究它们相互作用规律的学科,叫作超冷化学物理

超冷化学物理是连接量子力学和化学的一座桥梁。

这座桥非常重要。因为所有的化学反应,原则上都可以还原成一大堆原子、分子在量子力学下的碰撞反应。而碰撞的量子性质在超低温下才会完全的显现出来。如果有一天,科学家学会了用量子力学完全地描述化学反应,他们就可以把其中的计算公式输入计算机中,在原子层面完全模拟化学反应的每一个步骤和细节。

也许到了那一天,许多化学实验都不用我们花钱来做,用计算机算一下就可以了。研发新材料、新药物,以及研究生命某个蛋白质分子的过程,也都会变得又快又便宜。

可是,虽然量子力学已经诞生100多年,但科学家却还没搞清楚复杂的多个原子分子间的作用力。

这说明,在量子力学和化学之间,存在一个巨大的鸿沟。物理学家和化学家站在鸿沟的两头,迟迟不能会师。

因此,无论如何,超冷化学物理的桥梁必须开工了。

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当然,没有人知道,这座桥到底应该怎样施工。因为超冷化学物理还是一个比较原始的科研领域,所有人都在摸索。

科学家唯一能做的工作,就是在鸿沟旁边的荒地上拓荒。没有路,自己造路;没有水,自己打井;没有经验,自己摸索;没有工具,自己打造。

中国科大研究组发现的这11种费什巴赫共振,就是他们在超冷化学物理领域的一次成功的拓荒。

在未来,科学家还要长期地开拓这片荒地。总有一天,他们会一根柱子一根梁地建起这座桥梁,彻底破解化学反应的奥秘。

来源:墨子沙龙微信公众号

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