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

作者：陳思（中國(guó)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(hào)（ID：kexuedayuan）

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近日，中科院大連化物所在“最簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。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(gè)只涉及三個(gè)電子的化學(xué)反應(yīng)里居然同時(shí)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(qǐng)收看本期走進(jìn)科學(xué)之量子謎團(tuán)~

【1】

上帝擲骰子嗎？

這是一個(gè)曾經(jīng)或者一直困擾著人們的量子命題

你可能認(rèn)為世界的運(yùn)行是確定的、可預(yù)測(cè)的

一個(gè)物體不可能同時(shí)處于兩個(gè)相互矛盾的狀態(tài)

但是在量子的世界里

世界的運(yùn)行并不確定

一個(gè)物體可以同時(shí)處于兩種相互矛盾的狀態(tài)中

我們只能預(yù)測(cè)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(zhēng)議

誰是誰非

爭(zhēng)論不休

但是隨著量子力學(xué)的大廈越建越高

讓我們對(duì)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(yùn)動(dòng)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(shí)也有顯著的波動(dòng)性

因此，經(jīng)過不同運(yùn)動(dòng)軌跡而到達(dá)同一區(qū)域或量子態(tài)的粒子

會(huì)產(chǎn)生干涉

【3】

那么，什么是干涉呢？

如果我們有一個(gè)水波發(fā)射器，在水波運(yùn)動(dòng)的半路上放一個(gè)擋板

在擋板中間開兩個(gè)狹縫

然后再在狹縫的后面放一個(gè)屏幕

你會(huì)看到什么？

水波在穿過兩個(gè)狹縫后會(huì)變成兩個(gè)子波

這兩個(gè)子波的波峰和波峰疊在一起就會(huì)加強(qiáng)

波峰和波谷疊在一起就會(huì)抵消

所謂“遇正則強(qiáng)，遇反則弱”

當(dāng)它們抵達(dá)屏幕時(shí)就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)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(jìn)洞

因此量子干涉就會(huì)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?yàn)檫@些干涉圖樣復(fù)雜

并且在實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單的H+HD→H2+D反應(yīng)

（D是個(gè)啥？它是氫的同胞兄弟，但比氫多一個(gè)中子）

只涉及三個(gè)電子

看似非常簡(jiǎn)單

但其實(shí)也暗藏未解“玄機(jī)”

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(huì)隨碰撞能而呈現(xiàn)特別有規(guī)律的振蕩

其實(shí)，類似的振蕩在不少反應(yīng)的理論計(jì)算中都出現(xiàn)過

但是，都沒有像這個(gè)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(duì)該反應(yīng)開展了理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)研究

通過改進(jìn)的交叉分子束裝置

在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)后向散射信號(hào)的精確測(cè)量

（別看我很凌亂，本領(lǐng)可是大大的）

（其實(shí)我也可以很夢(mèng)幻）

僅僅精確測(cè)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?fù)鋵W(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(shí)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(huì)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(jiǎn)單的反應(yīng)體系竟然仍存在著人們認(rèn)識(shí)不到的事實(shí)！

誰能保證小概率事件

不能夠產(chǎn)生意想不到的作用呢？