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#船长专栏# 上帝掷骰子吗?中国科学家在最简单化学反应中找到了一份答案

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海创船长 海创船长 发表于

近日,中科院大连化物所肖春雷研究员、孙志刚研究员、张东辉院士和杨学明院士团队在“最简单”的化学反应氢原子加氢分子的同位素反应中,


发现了“不简单”的量子干涉效应,有助于更深入地理解化学反应过程,丰富对化学反应的认识。相关文章于515日在线发表在《科学》(Science)杂志上。


在不少人看来,量子相关的研究和理论都比较“反常”,其实在化学反应动力学研究中,也经常发现“反常”的现象,因为化学反应的过程,也受量子力学原理支配。


而在上述的“最简单”的化学反应中,就同时存在着两种反应途径......


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上帝会不会掷骰子,这是其实是一个一直困扰着人们的量子命题。




我们眼中的世界运行遵循着一定的规律,所以被看做是可预测的,也就是说不存在同时处于两个相互矛盾状态中的物体。然而如果我们将视野投向量子的微观世界,那里的物体便可以同时处于两个相互矛盾的状态。


我们只能预测各种结果出现的概率,却不能“左右”最后的结局。


这就是“上帝的骰子”。


但随着微观粒子的各种量子现象研究的不断开展,量子力学的大厦被逐渐搭建,而与之相关的化学反应动力学过程中的量子力学现象的研究,也越来越具体,化学反应过程中小概率的“反常”现象,也不断的被揭示出来。


上帝真的掷骰子吗?我们对此有了更深入的理解。


光子、电子、原子、分子等粒子,在其运动过程中,遵循量子力学原理,具有波粒二象性。


因此,经过不同运动途径达到同一区域或量子态的粒子,会像光的传播一样发生干涉效应。


Part.1


那么,什么是干涉呢?


物理学中,干涉是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形的现象。例如当一束光透过两个并排的狭缝后,在后面的挡板上会出现明暗相间的现象:最亮的地方光强超过了原来两束光的光强之和,而最暗的地方光强有可能为零,这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。

光波的双缝干涉


化学反应的发生,本质上就是粒子的碰撞,并伴随着化学键的断裂与生成。


不同的碰撞参数,都可以发生化学反应。如同打桌球一样,不同的切角、球速都能让球进洞,因此量子干涉就会出现在不同碰撞参数产生的反应之间。


所以说,在化学反应中,量子干涉是普遍存在的。但是,因为这些干涉图样复杂,并且在实验上难以精确分辨这些干涉图样的特征,所以,想要准确理解化学反应中干涉产生的根源,非常困难!


Part.2


0.3%的反应途径


解决复杂问题经常从简单模型入手,以下化学反应,


D是氢的同胞兄弟,但比氢多一个中子),虽然只涉及三个电子,看似非常简单,但其实也暗藏未解“玄机”。该体系只涉及三个电子,因此比较容易精确计算出这三个原子在不同构型时的相互作用力。


在此基础上,通过求解薛定谔方程,就能够实现分子反应动力学过程的计算机模拟,从而做到在微观层次上深入理解化学反应过程。


大连化物所在先期理论研究工作中发现,在特定散射角度上,H+HD反应生成的产物H₂(氢气分子)的多少会随碰撞能而呈现特别有规律的振荡。

类似有规律的随碰撞能变化而振荡的现象,在之前不少反应的理论计算结果中出现过,但是那些振荡都没有像H+H₂反应这么有规律。而且,迄今为止,对于这样的现象,科学家们并没有一个清晰的解释。


针对这个有规律的振荡现象,大连化物所开展了理论结合实验的详细研究。理论上,进一步发展了量子反应散射理论,创造性地发展了利用拓扑学原理来分析化学反应发生途径的方法。实验上,通过改进了的交叉分子束装置,实现了在较高碰撞能处对后向散射(散射角度为180度)信号的精确测量。



H+HDH2+D反应发生时所经历的两条拓扑途径示意图


分析表明,这些后向振荡的“优美曲线”实际上是由两条反应途径的干涉造成的。



它们各自的幅度随着碰撞能变化并无显著变化,呈现出一条比较光滑的曲线(如下图所示)。而它们的相位随着碰撞能变化,一个呈线性增加,另外一个呈线性减小,因此,相互干涉的结果就呈现了强烈的有规律的振荡现象。


不仅如此,科学家们用经典力学方法,还获得了这两条反应途径的“影视资料”。


结果表明,其中一条反应途径对应于我们所熟知的直接反应过程,H碰撞后直接“拐”走了HD中的H原子;而另外一条反应途径对应于一条类似于漫游机理的反应过程,H碰撞后,在HD中间“漫游”了一会儿才把HD中的H原子“拐”走。




这两条反应途径所产生的H₂分子,在特定的散射角度汇合并产生干涉,这就有了那条“优美的曲线”。


有意思的是,第二种反应途径只占全部反应性的0.3%,如此微小的“存在”,竟然能够被清晰地捕捉。


这一研究成果发表在Science杂志上,该研究不仅再次解释了原子分子因碰撞而发生化学反应的量子化本质,而且揭示了化学反应的途径是复杂的,如此简单的反应体系竟然仍存在着人们认识不到的事实!

谁能保证小概率事件不能够产生意想不到的作用呢?


文章仅代表作者观点,不代表中国科普博览立场

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