超低温下测量原子间作用力,能否破解化学反应的奥秘?


这是Sheldon的第 106 篇漫画,也是墨子沙龙和Sheldon合作的第17篇量子科普漫画
,所有图片大约 3 MB。



所谓化学反应,就是一堆原子和分子,在原子间的作用力的影响下,开始重新排列组合,并改变各自状态的故事。




所以从理论上讲,我们可以用描述原子间作用力的物理规律——量子力学——破解每个化学反应的过程。



然而,虽然量子力学已经诞生了100多年,但科学家还是没有搞清楚,原子之间的作用力究竟是什么样的。这是因为,原子间的作用力实在是太复杂了。



一、原子的作用力为什么复杂

 

原子间的作用力为啥这么复杂呢?其中主要有两个原因。

第一个原因是,原子的成员太多。你可不要以为原子是一个实心小球。原子可复杂了,里面有原子核,还有一大堆核外电子。



而且,这一大堆玩意儿不是随随便便凑在一起。它们是在量子力学的法则下,通过原子内的作用力,组成了一个复杂的量子系统。



第二个原因,是原子内各个成员的小动作太多。比方说,许多原子核有好几种办法自转,每个核外的外层电子可以在几个空轨道之间乱窜。



根据量子力学,两个原子就算成员一模一样,只要成员的运动状态不一样,它们产生的作用力就会不一样。



然而,两个原子的作用力还不是最麻烦的。在化学中,我们会经常遇到三个原子、四个原子的化学反应。

如果你把好几个原子搁一块儿,把它们主要成员之间的作用力都算上,再考虑到每个成员的运动状态不一样……



最后你会发现,越算越麻烦,根本不可能用量子力学算清楚其中的作用力到底有多大。别说你算不清楚,就算经典计算机都算不清楚。



那么,科学家真的没有办法研究多个原子之间的作用力了吗?


二、团伙的内部活动

办法倒是有一个,只不过不是直奔主题,而是先绕一个小弯儿,通过研究原子组团后的内部活动,进行间接测量。

比方说,假如几个原子通过原子间的作用力结合在一起,形成了一个原子团伙。

此时,你要是给它们施加一点儿能量,它们通常会借着这股劲儿,开展各种内部活动。比如,



当然,如果施加的能量太大,这个原子团伙肯定还是会散伙儿。



但如果施加的能量足够小,它们就不会散伙儿,因为原子间的作用力把它们团结在了一起。



原子团伙有了能量以后仍然没有散伙的状态,叫作束缚态。研究原子间作用力的办法,就藏在原子束缚态的内部活动之中。



打个比方,这就好比一伙儿人组成了一个社会团伙。如果他们啥也不干,你肯定搞不清楚他们组成的是什么性质的团伙,是什么样的力量把他们凑到一块儿的。



这个时候,你要是给他们一笔小钱(相当于给原子团伙一点儿能量),再观察他们会拿钱干什么事,问题就解决了。



如果他们跑去抽烟喝酒烫头,那他们就是狐朋狗友团伙,靠酒肉的力量维系。如果他们跑去买仪器做实验办论坛,那他们就是科研团伙,靠科学的魅力维系。如果是去唱歌跳舞听戏,那他们就是文艺团伙,靠艺术的张力维系。



同样的道理,为了研究原子间的作用力,科学家就必须想办法让原子形成的束缚态,然后观察它们会如何开展内部活动。如果两种原子团伙的内部活动不一样,那就说明维系这两个团伙的作用力不一样。

那么,到底如何才能搞清楚这种束缚态的内部活动呢?


三、费什巴赫共振:一种巧妙的研究办法

这个问题的研究办法倒是有很多。但哪一种办法都没有我们今天介绍的办法巧妙。这就是以美国核物理学家费什巴赫冠名的



我们的生活中经常会见到各种共振的现象。比如,如果你敲一个音叉A,会引起其他音叉也发生振动。但这不是共振。



如果其中有一个音叉B,它的特征频率刚好和音叉A完全相同,那么音叉B的振动幅度就会格外的大,大得好像你连音叉B也敲过。这就叫作共振



费什巴赫共振也是一种共振现象。它的意思是说,首先,如果你把几个原子凑在一块儿,这些原子原本会有一定几率转化成各种各样能量更低的状态,比如抽烟、喝酒、烫头……当然,它们也可能什么也不干,继续保持原样。



此时,如果你通过调节外部磁场的大小,使得这几个原子的总能量,刚好等于喝酒状态的能量,那么它们形成正在喝酒的束缚态的概率就会突然增大,就好像它们就是奔着喝酒来的。这就是费什巴赫共振。


总而言之,费什巴赫共振就是,两堆原子状态不同,但它们总能量基本相同,这两堆原子之间就会相互转化,发生一种量子力学意义上的共振。



在实验中,如果自由散漫的原子之间发生了费什巴赫共振,实验结果就会呈现一个峰值。



如果通过调节磁场,突然发现这么一个峰值,就说明原子发生了费什巴赫共振,就代表科学家找到了它们内部活动的一种方式。

如果科学家完全找到了它们内部活动的所有方式,那么科学家就从实验上破解了这几个原子之间的相互作用力。



四、NaK分子和K原子的首次散射共振

总结一下,要想研究多个原子之间的作用力,靠理论计算太困难了。科学家希望通过实验的办法,找到原子组团以后的所有内部活动方式,然后再从中反推原子间作用力的特征。

其中最巧妙的实验办法,就是利用费什巴赫共振,直接让自由的原子转化成正在进行某个内部活动的束缚态。

万事俱备,可以开动了!

于是,2019 年,中国科学技术大学潘建伟、赵博研究组在《科学》杂志上发表了一篇实验论文。

他们用上面说的那种实验方法,在 0.0000005K 的超低温下,首次研究了 NaK 分子和 K 原子的费什巴赫共振。换句话说,他们第一次在实验中,间接地测量了 NaK 分子和 K 原子之间的作用力。



在这个实验之前,许多科学家用超低温实验研究过两个原子间的作用力。但科学家还没有直接用超低温实验研究过原子和分子之间的作用力。所以,研究组的实验,是第一次测量原子和双原子分子之间的作用力

简单地说,这个实验就是把各种状态的NaK分子,和数量多10倍的、各种状态的自由K原子关在一起,看看他们什么时候会刚好撞成“K-Na-K”组团的状态。



当然,直接撞肯定是不行的。研究组还要在实验中加入不同强度的磁场,通过磁场来调节碰撞前后的能量差异。因为只有二者能量调得刚好一样时,费什巴赫共振才会发生。



结果,研究组在不同状态的NaK分子和K原子的4×5=20种组合中,在43~120高斯的磁场之间,共发现了11种费什巴赫共振



换句话说,他们第一次在实验中发现了 “K-Na-K”组团时的11种内部活动方式。

这些内部活动方式,反映了NaK分子和K原子之间的作用力,为理论学家研究这种作用力提供了新的实验依据。

 

五、在量子力学和化学之间造一座桥

这种将原子、分子冷却到绝对零度附近,并研究它们相互作用规律的学科,叫作超冷化学物理

超冷化学物理是连接量子力学和化学的一座桥梁。

这座桥非常重要。因为所有的化学反应,原则上都可以还原成一大堆原子、分子在量子力学下的碰撞反应。而碰撞的量子性质在超低温下才会完全的显现出来。如果有一天,科学家学会了用量子力学完全地描述化学反应,他们就可以把其中的计算公式输入计算机中,在原子层面完全模拟化学反应的每一个步骤和细节。

也许到了那一天,许多化学实验都不用我们花钱来做,用计算机算一下就可以了。研发新材料、新药物,以及研究生命某个蛋白质分子的过程,也都会变得又快又便宜。

可是,虽然量子力学已经诞生100多年,但科学家却还没搞清楚复杂的多个原子分子间的作用力。

这说明,在量子力学和化学之间,存在一个巨大的鸿沟。物理学家和化学家站在鸿沟的两头,迟迟不能会师。

因此,无论如何,超冷化学物理的桥梁必须开工了。



当然,没有人知道,这座桥到底应该怎样施工。因为超冷化学物理还是一个比较原始的科研领域,所有人都在摸索。

科学家唯一能做的工作,就是在鸿沟旁边的荒地上拓荒。没有路,自己造路;没有水,自己打井;没有经验,自己摸索;没有工具,自己打造。

中科大研究组发现的这11种费什巴赫共振,就是他们在超冷化学物理领域的一次成功的拓荒。

在未来,科学家还要长期地开拓这片荒地。总有一天,他们会一根柱子一根梁地建起这座桥梁,彻底破解化学反应的奥秘。



作者:Sheldon

绘制:Mirror、周源

美指:牛猫

鸣谢:赵博

 

注:

1.在量子力学中,物理学家实际上并不会直接研究几个原子之间的力,而是会研究几个原子的“势能”,看看它们的势能会如何随着各种条件而变化。

2.势能的变化间接反映了原子间作用力的大小和方向。比方说,当两个原子的距离很远时(r > r₀),随着距离减小,它们的势能也会逐渐变小。此时,它们之间的力是吸引力。



当两个原子近到一定程度时(r < r₀),随着距离减小,它们的势能就会急剧增大。此时,它们之间的力是排斥力。

3.考虑到原子是一个立体的结构,上面那幅“势能”的示意图原本应该画成一种类似于“三维地形图”的样子。这叫做“势能面”(potential energy surface)。在超冷化学物理中,物理学家的主要目标就是定量地刻画多个原子形成束缚态以后的“势能面”形状。

下面这张图就是通过计算机做近似计算得出的,三个氢原子束缚态的能量最低状态的势能面(冷色)和某种内部运动状态的势能面(暖色)。可以看出,这两个面在某些位置上发生了交叉。


(图片来源:Dr. Eckart Wrede)


氢原子只有一个核外电子。可以想象,三个氢原子的势能面都这么复杂,K-Na-K的势能面应该会更加复杂。


参考文献:

1.Huan Yang, De-Chao Zhang, Lan Liu, Ya-Xiong Liu, Jue Nan, Bo Zhao, Jian-Wei Pan, Observation of magnetically tunable Feshbach resonances in ultracold²³Na⁴⁰K + ⁴⁰K collisions, Science, Vol 363, Issue 6424, 18 January, 2019.

2.Cheng Chin, Rudolf Grimm, Paul Julienne, and Eite Tiesinga, Feshbach resonances in ultracold gases, Rev. Mod. Phys. 82, 1225, 29 April, 2010.

3.Michael Mayle, Brandon P. Ruzic, and John L. Bohn, Statistical aspects of ultracold resonant scattering, Phys. Rev. A 85, 062712, 28 June, 2012.

4. 墨子沙龙, 无垠荒野中的开拓者——超冷原子量子模拟在化学物理研究中的全新工作, 2019.01.19.

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