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        量子化學的突破_分子首次被捕捉到隧道效應

        放大字體  縮小字體 發布日期:2023-03-15 11:52:26    作者:百里健立    瀏覽次數:110
        導讀

        化學中的隧道反應是很難預測的。從量子力學角度精確描述三個以上粒子的化學反應已經是非常困難,四個以上的粒子則幾乎不可能。理論家們用經典物理學來模擬這些反應,必須忽略量子效應。但是,這種對化學反應的經典描

        化學中的隧道反應是很難預測的。從量子力學角度精確描述三個以上粒子的化學反應已經是非常困難,四個以上的粒子則幾乎不可能。理論家們用經典物理學來模擬這些反應,必須忽略量子效應。但是,這種對化學反應的經典描述的極限在哪里,它只能提供近似值?

        量子力學允許粒子由于其量子力學波的特性而突破能量屏障(墻),發生反應。資料來源:因斯布魯克大學/哈拉爾-里奇

        來自因斯布魯克大學離子物理和應用物理系的Roland Wester長期以來一直想探索這一前沿領域。這位實驗物理學家說:"這需要一個可以進行非常精確測量的實驗,并且仍然可以用量子力學來描述。"韋斯特回憶說:"這個想法是15年前我在美國的一次會議上與一位同事的談話中產生的。他想在一個非常簡單的反應中追蹤量子力學隧道效應。"

        由于隧道效應使反應的可能性非常小,因此速度很慢,其實驗觀察是非常困難的。然而,經過幾次嘗試,韋斯特的團隊現在首次成功地做到了這一點,他們在本期的《自然》雜志上報告了這一點。

        經過15年的研究取得的突破

        羅蘭-韋斯特的團隊選擇了宇宙中最簡單的元素--氫來進行實驗。他們將氘--一種氫的同位素引入一個離子阱后將其冷卻,然后用氫氣填充該阱。由于溫度非常低,帶負電荷的氘離子缺乏以常規方式與氫分子反應的能量。然而,在非常罕見的情況下,當兩者碰撞時發生了反應。

        這是由隧道效應引起的:"量子力學允許粒子因其量子機械波特性而突破能量障礙,并發生反應,"該研究的第一作者Robert Wild解釋說。"在我們的實驗中,我們給陷阱中可能發生的反應大約15分鐘,然后確定形成的氫離子的數量。從它們的數量,我們可以推斷出一個反應發生的頻率。"

        2018年,理論物理學家曾計算出,在這個系統中,每千億次碰撞中只出現一次量子隧道。這與現在在因斯布魯克測得的結果非常吻合,經過15年的研究,首次證實了化學反應中隧道效應的精確理論模型。

        為更好地理解奠定基礎

        研究人員認為還有其他可能利用隧道效應的化學反應,現在第一次有了一個在科學理論中也被充分理解的測量,在此基礎上,研究可以為化學反應開發更簡單的理論模型,并在現在已經成功證明的反應上進行測試。

        例如,隧道效應被用于掃描隧道顯微鏡和閃光存儲器中。隧道效應也被用來解釋原子核的α衰變。通過包括隧道效應,一些星際暗云中的分子的天體化學合成也可以得到解釋。因此,韋斯特團隊的實驗為更好地理解許多化學反應奠定了基礎。

         
        (文/百里健立)
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