网站地图联系我们English中国科学院
您现在的位置:首页 > 科学传播 > 科技前沿
【漫画科普】物理学家在绝对零度附近,观察原子“恋爱”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:  |

 

  夏天来了,神州处处是火炉。这个时候,如果能喝上一瓶冰镇饮料,想必能暂时缓解一下燥热的心情。

 

  你知道吗?在物理学家看来,冰块其实不够冷,可以说热得离谱。

 

  在常温下,水是液态的,这是因为水分子具有很大的能量,并且会到处乱跑。

 

  在冰箱里,当气温达到零度以下时,水分子的能量稍微降低。在分子间作用力的牵制下,谁都不能乱跑。于是,水就结成了冰。

 

  表面上看,冰块里的水分子很安静。其实,它们仍然拥有很高的能量。虽然不能乱跑,但它们有各种办法自娱自乐,要多乱有多乱。

 

  如果想要让分子尽量不要动,就要继续降低温度,夺走分子的能量。假如温度能够降低到-273.15℃,从理论上讲,所有的原子和分子都会停止热运动。这是物质能达到的最低的温度,所以叫做绝对零度。因为在物理学家眼中,绝对零度才是真正的零度。

   

  到了绝对零度以后,原子不能乱动,岂不是很适合进行科学研究?基于这种想法,近年来科学家捣腾出了一门交叉学科:超冷量子化学。

 

  2017年7月,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事赵博、陈宇翱等,在《自然·物理》杂志上就发表了一篇实验论文,讲就是在绝对零度附近,观察原子间“恋爱”(结合成分子)和分子“分手”(反应变成另一种分子)的行为。

 

  他们通过激光冷却和蒸发冷却的方法,把30万个钠原子和16万个钾原子的温度降到了绝对零度之上0.0000005度(即500nK),然后囚禁在一个用激光制造的“陷坑”里。

 

  钠原子和钾原子虽然都是碱金属,但在它们相遇时在原子间范德瓦尔斯力作用下也会擦出微小的火花,形成一种弱束缚分子。

 

  在平常的温度下(比如零摄氏度),钠原子蒸气的能量很高,运动速度能超过400米/秒,比民航飞机飞行的速度还要快。即使它能和钾原子擦出火花,也不能维持。

 

  如果把温度降低到绝对零度之上0.0000005摄氏度(500nK),钠原子的能量就会大大降低,运动速度减小到0.02米/秒,和蜗牛爬的一样慢。

 

  然而,物理学家把原子和分子的温度降得那么低,并不是为了让它们在盛夏享受这丝酷爽。而是要通过第三者插足,无情的拆散它们,并观察其中化学反应的每一步过程。

 

  这个第三者插足的化学反应,可以简单地写成AB+C—>AC+B。其中A是钠原子,B是自旋为-5/2的钾原子,C是自旋为-3/2的钾原子。也就是说,一个钾原子上位替换了弱束缚分子中原来的钾原子。

 

  这个第三者插足的反应看似简单,但它有一个非常大的好处。

 

  在之前的超冷量子化学实验中,科学家无法直接看到反应的产物。因为许多化学反应都会释放巨大的能量。本来超低温下的原子和分子都囚禁在陷坑里,但它们一旦拥有了足够的能量,就会远走高飞,逃出科学家的掌控。

 

  在中科大的这个实验中,科学家还在陷坑周围设置了磁场。钠钾分子和钾原子反应时释放的能量跟磁场大小有关,可以通过磁场进行调节。科学家把磁场设定在了130高斯左右(相当于地球磁场的200多倍),让它们的反应尽量少释放能量,从而保证反应产物都逃不出去,乖乖等着测量。

 

  通过这个实验,科学家在2毫秒的时间内,精确观察了1万多对弱束缚钠钾分子,是如何一步一步被第三者拆散的,又重新组合成新对象的。

 

  他们不仅第一次观测到了一个微观反应通道的完整反应产物,测量到产物产生的动力学过程,并第一次可以根据产物的演化来标定超冷化学反应的行为。

 

  要知道,在常温下的每一个化学反应中,都包含大量各不相同的微观通道。化学家只能笼统地做个平均,根本不能在实验中探究每一个细节,更别说从量子物理的基础理论进行精确计算了。

 

  在绝对零度附近,原子都被冻成了单个量子态。它们没有多少套路可以走,只能按照物理学家限定的方式,以最简单的形式碰撞,从一种状态转化到另外一种状态。所以,物理学家对整个过程观测、分析的一清二楚。这是第一次在超冷化学反应中观测到态到态的化学反应。

 

  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。

  

 

  这一次实验的成功,将化学反应动力学的实验研究推进到量子水平。《自然·物理》杂志的审稿人说:“这个工作是超冷化学领域的一个重要的里程碑,对化学和物理研究者将有着广泛的兴趣。”

  为什么科学家们对超冷量子化学这个新课题感兴趣呢?

  举个栗子,宇宙环境中自然存在的最低温度仅比绝对零度高大约3摄氏度,那比这个温度更低时化学反应怎样进行呢?这个问题科学家也不清楚。因为要想把分子气体冷却到这么低的温度,其实非常困难。

  理论物理学家曾举了这样一个例子:分子之间存在一类微弱的量子现象,叫做Feshbach共振。量子物理理论曾经预言,这样的共振可以多达上百个。但是在常温或者通常的低温下,由于温度还不够低,分子碰撞的通道会平均化,结果导致这种量子现象在实验中几乎一个也观测不到。

  然而当将分子气体的温度降到超低温以下。

  在经典力学看来,当温度达到绝对零度时,化学反应就不会发生了。但根据量子力学的原理,在绝对零度下,化学反应仍然可以有效的进行。

  因此,超低温下分子反应的实验研究和理论探索,对于发展量子化学理论,以及认识更复杂自然和生命体系中的量子效应是非常有必要的。


中国科学院高能物理研究所    备案序号:京ICP备05002790号
地址:北京市918信箱    邮编:100049    电话:86-10-88235008    Email: ihep@ihep.ac.cn