【漫畫解讀Science成果】一個只涉及三個電子的化學(xué)反應(yīng)居然這么復(fù)雜？

作者：陳思（中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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近日，中科院大連化物所在“最簡單”的化學(xué)反應(yīng)氫原子加氫分子的同位素（H+HD→H2+D）反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)了“不簡單”的量子干涉效應(yīng)，有助于更深入地理解化學(xué)反應(yīng)過程，豐富對化學(xué)反應(yīng)的認識。相關(guān)文章于5月15日在線發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是什么？

跟量子有什么關(guān)系？

一個只涉及三個電子的化學(xué)反應(yīng)里居然同時存在兩種反應(yīng)途徑？

只占0.3%的小概率事件也能被捕捉到？

……

敬請收看本期走進科學(xué)之量子謎團~

【1】

上帝擲骰子嗎？

這是一個曾經(jīng)或者一直困擾著人們的量子命題

你可能認為世界的運行是確定的、可預(yù)測的

一個物體不可能同時處于兩個相互矛盾的狀態(tài)

但是在量子的世界里

世界的運行并不確定

一個物體可以同時處于兩種相互矛盾的狀態(tài)中

我們只能預(yù)測各種結(jié)果出現(xiàn)的概率

卻不能“左右”最后的結(jié)局

難道這真的都由上帝手中的骰子決定？

連大牛們都存在爭議

誰是誰非

爭論不休

但是隨著量子力學(xué)的大廈越建越高

讓我們對上帝到底擲不擲骰子

有了更深入的理解

【2】

光子、電子、原子、分子等微觀粒子

在運動過程中都遵循量子力學(xué)原理

值得一提的是

它們都是波粒二象性的“怪胎”

既有明顯的粒子特性，同時也有顯著的波動性

因此，經(jīng)過不同運動軌跡而到達同一區(qū)域或量子態(tài)的粒子

會產(chǎn)生干涉

【3】

那么，什么是干涉呢？

如果我們有一個水波發(fā)射器，在水波運動的半路上放一個擋板

在擋板中間開兩個狹縫

然后再在狹縫的后面放一個屏幕

你會看到什么？

水波在穿過兩個狹縫后會變成兩個子波

這兩個子波的波峰和波峰疊在一起就會加強

波峰和波谷疊在一起就會抵消

所謂“遇正則強，遇反則弱”

當(dāng)它們抵達屏幕時就會出現(xiàn)強弱相間的條紋

這就是干涉

【3】

化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生

本質(zhì)上就是粒子的碰撞

并伴隨著化學(xué)鍵的斷裂與生成

不同的碰撞參數(shù)

都可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

如同打桌球一樣

不同的切角、球速都能讓球進洞

因此量子干涉就會出現(xiàn)在不同碰撞參數(shù)產(chǎn)生的反應(yīng)之間

所以說在化學(xué)反應(yīng)中

量子干涉是普遍存在的

但是。。。

因為這些干涉圖樣復(fù)雜

并且在實驗上難以精確分辨這些干涉圖樣的特征

所以

想要準(zhǔn)確理解化學(xué)反應(yīng)中干涉產(chǎn)生的根源

非常困難?。?！

【4】

哪怕是所有化學(xué)反應(yīng)中

表面看上去最簡單的H+HD→H2+D反應(yīng)

（D是個啥？它是氫的同胞兄弟，但比氫多一個中子）

只涉及三個電子

看似非常簡單

但其實也暗藏未解“玄機”

去年

科學(xué)家們就在該反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了奇妙的現(xiàn)象

在特定的散射角度上

產(chǎn)物H2的多少會隨碰撞能而呈現(xiàn)特別有規(guī)律的振蕩

其實，類似的振蕩在不少反應(yīng)的理論計算中都出現(xiàn)過

但是，都沒有像這個反應(yīng)如此的有規(guī)律

而且迄今為止

沒人能解釋這樣現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

【5】

近期，科學(xué)家們對該反應(yīng)開展了理論結(jié)合實驗的詳細研究

通過改進的交叉分子束裝置

在實驗上實現(xiàn)了對后向散射信號的精確測量

（別看我很凌亂，本領(lǐng)可是大大的）

（其實我也可以很夢幻）

僅僅精確測量可滿足不了科學(xué)家們的求知欲

還要知道這“優(yōu)美的曲線”是怎么來的

科學(xué)家創(chuàng)造性地發(fā)展了

利用拓撲學(xué)原理來分析化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的途徑的方法

。

。

（此處省略一萬字）

。

。

分析表明，這些后向振蕩的“優(yōu)美曲線”

實際上是由兩條反應(yīng)途徑的干涉造成的

不僅如此

科學(xué)家們用經(jīng)典力學(xué)方法

在一種反應(yīng)途徑中

H碰撞后直接"拐走"了HD中的H原子

而另一種反應(yīng)途徑中

H碰撞后，在HD中間“漫游”了一會兒

才把HD中的H原子"拐走"

這兩條反應(yīng)途徑所產(chǎn)生的H2分子

在特定的散射角度匯合并產(chǎn)生干涉

這就有了那條“優(yōu)美的曲線”

有意思的是

第二種反應(yīng)途徑只占全部反應(yīng)性的0.3%

如此微小的“存在”

竟然能夠被清晰地捕捉

這一研究成果發(fā)表在Science雜志上

該研究不僅再次解釋了原子分子因碰撞而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的量子化本質(zhì)

而且揭示了化學(xué)反應(yīng)的途徑是復(fù)雜的

如此簡單的反應(yīng)體系竟然仍存在著人們認識不到的事實！

誰能保證小概率事件

不能夠產(chǎn)生意想不到的作用呢？