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                  【漫畫科普】物理學家在絕對零度附近,觀察原子“戀愛”和分子“分手”
                  2017-08-22 |文章来源: 脚本:Sheldon 美指:牛猫 绘制:赏鉴| 浏览次数:  |

                   

                    夏天來了,神州處處是火爐。這個時候,如果能喝上一瓶冰鎮飲料,想必能暫時緩解一下燥熱的心情。

                   

                    你知道嗎?在物理學家看來,冰塊其實不夠冷,可以說熱得離譜。

                   

                    在常溫下,水是液態的,這是因爲水分子具有很大的能量,並且會到處亂跑。

                   

                    在冰箱裏,當氣溫達到零度以下時,水分子的能量稍微降低。在分子間作用力的牽制下,誰都不能亂跑。于是,水就結成了冰。

                   

                    表面上看,冰塊裏的水分子很安靜。其實,它們仍然擁有很高的能量。雖然不能亂跑,但它們有各種辦法自娛自樂,要多亂有多亂。

                   

                    如果想要讓分子盡量不要動,就要繼續降低溫度,奪走分子的能量。假如溫度能夠降低到-273.15℃,從理論上講,所有的原子和分子都會停止熱運動。這是物質能達到的最低的溫度,所以叫做絕對零度。因爲在物理學家眼中,絕對零度才是真正的零度。

                     

                    到了絕對零度以後,原子不能亂動,豈不是很適合進行科學研究?基于這種想法,近年來科學家搗騰出了一門交叉學科:超冷量子化學。

                   

                    2017年7月,中國科學技術大學潘建偉教授及其同事趙博、陳宇翺等,在《自然·物理》雜志上就發表了一篇實驗論文,講就是在絕對零度附近,觀察原子間“戀愛”(結合成分子)和分子“分手”(反應變成另一種分子)的行爲。

                   

                    他們通過激光冷卻和蒸發冷卻的方法,把30萬個鈉原子和16萬個鉀原子的溫度降到了絕對零度之上0.0000005度(即500nK),然後囚禁在一個用激光制造的“陷坑”裏。

                   

                    鈉原子和鉀原子雖然都是堿金屬,但在它們相遇時在原子間範德瓦爾斯力作用下也會擦出微小的火花,形成一種弱束縛分子。

                   

                    在平常的溫度下(比如零攝氏度),鈉原子蒸氣的能量很高,運動速度能超過400米/秒,比民航飛機飛行的速度還要快。即使它能和鉀原子擦出火花,也不能維持。

                   

                    如果把溫度降低到絕對零度之上0.0000005攝氏度(500nK),鈉原子的能量就會大大降低,運動速度減小到0.02米/秒,和蝸牛爬的一樣慢。

                   

                    然而,物理學家把原子和分子的溫度降得那麽低,並不是爲了讓它們在盛夏享受這絲酷爽。而是要通過第三者插足,無情的拆散它們,並觀察其中化學反應的每一步過程。

                   

                    這個第三者插足的化學反應,可以簡單地寫成AB+C—>AC+B。其中A是鈉原子,B是自旋爲-5/2的鉀原子,C是自旋爲-3/2的鉀原子。也就是說,一個鉀原子上位替換了弱束縛分子中原來的鉀原子。

                   

                    這個第三者插足的反應看似簡單,但它有一個非常大的好處。

                   

                    在之前的超冷量子化學實驗中,科學家無法直接看到反應的産物。因爲許多化學反應都會釋放巨大的能量。本來超低溫下的原子和分子都囚禁在陷坑裏,但它們一旦擁有了足夠的能量,就會遠走高飛,逃出科學家的掌控。

                   

                    在中科大的這個實驗中,科學家還在陷坑周圍設置了磁場。鈉鉀分子和鉀原子反應時釋放的能量跟磁場大小有關,可以通過磁場進行調節。科學家把磁場設定在了130高斯左右(相當于地球磁場的200多倍),讓它們的反應盡量少釋放能量,從而保證反應産物都逃不出去,乖乖等著測量。

                   

                    通過這個實驗,科學家在2毫秒的時間內,精確觀察了1萬多對弱束縛鈉鉀分子,是如何一步一步被第三者拆散的,又重新組合成新對象的。

                   

                    他們不僅第一次觀測到了一個微觀反應通道的完整反應産物,測量到産物産生的動力學過程,並第一次可以根據産物的演化來標定超冷化學反應的行爲。

                   

                    要知道,在常溫下的每一個化學反應中,都包含大量各不相同的微觀通道。化學家只能籠統地做個平均,根本不能在實驗中探究每一個細節,更別說從量子物理的基礎理論進行精確計算了。

                   

                    在絕對零度附近,原子都被凍成了單個量子態。它們沒有多少套路可以走,只能按照物理學家限定的方式,以最簡單的形式碰撞,從一種狀態轉化到另外一種狀態。所以,物理學家對整個過程觀測、分析的一清二楚。這是第一次在超冷化學反應中觀測到態到態的化學反應。

                   

                    中科大超冷分子实验室最初的设计想法,源自约半个世纪前,20世纪70年代化学家W. Stwalley提出的理论预言。中科大的科学家们从零起步,耗费了三年半的时间,亲自设计、搭建实验平台后,仅用了半年时间就取得了目前的实验成果。

                    

                   

                    這一次實驗的成功,將化學反應動力學的實驗研究推進到量子水平。《自然·物理》雜志的審稿人說:“這個工作是超冷化學領域的一個重要的裏程碑,對化學和物理研究者將有著廣泛的興趣。”

                    爲什麽科學家們對超冷量子化學這個新課題感興趣呢?

                    舉個栗子,宇宙環境中自然存在的最低溫度僅比絕對零度高大約3攝氏度,那比這個溫度更低時化學反應怎樣進行呢?這個問題科學家也不清楚。因爲要想把分子氣體冷卻到這麽低的溫度,其實非常困難。

                    理論物理學家曾舉了這樣一個例子:分子之間存在一類微弱的量子現象,叫做Feshbach共振。量子物理理論曾經預言,這樣的共振可以多達上百個。但是在常溫或者通常的低溫下,由于溫度還不夠低,分子碰撞的通道會平均化,結果導致這種量子現象在實驗中幾乎一個也觀測不到。

                    然而當將分子氣體的溫度降到超低溫以下。

                    在經典力學看來,當溫度達到絕對零度時,化學反應就不會發生了。但根據量子力學的原理,在絕對零度下,化學反應仍然可以有效的進行。

                    因此,超低溫下分子反應的實驗研究和理論探索,對于發展量子化學理論,以及認識更複雜自然和生命體系中的量子效應是非常有必要的。


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