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        實(shí)現(xiàn)不可能的化學(xué)反應(yīng)

        2018-12-17 09:05:08山風(fēng)
        科學(xué)之謎 2018年9期

        山風(fēng)

        我們都知道,化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在原子和分子這個(gè)層次。盡管如此,我們卻總是拿宏觀物質(zhì)來(lái)做化學(xué)反應(yīng),從沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)科學(xué)家只取幾個(gè)原子、分子來(lái)做實(shí)驗(yàn)的。現(xiàn)在,美國(guó)哈佛大學(xué)的科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了在原子的層次上操作化學(xué)反應(yīng),讓一個(gè)鈉原子與一個(gè)銫原子結(jié)合,合成出一種宏觀層次上不可能生成的新分子——鈉銫分子。

        你之前大概從來(lái)沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)這種分子,也想象不到鈉原子和銫原子還會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),要理解這一點(diǎn),我們需要從化學(xué)反應(yīng)的原理談起。

        為什么鈉原子和銫原子

        也能化學(xué)反應(yīng)?

        我們從高中化學(xué)中知道,原子的最外層電子數(shù)一般情況下達(dá)到8個(gè)的時(shí)候是最穩(wěn)定的,所以在化學(xué)反應(yīng)時(shí),一個(gè)原子往往要么通過(guò)失去/得到電子,要么通過(guò)與其他原子共享電子,來(lái)達(dá)到使自己的最外層擁有8個(gè)電子的目的。這是化學(xué)反應(yīng)之所以能夠發(fā)生的基本原理。

        盡管通常我們看到的情況是,只有特定元素的原子才能兩兩結(jié)合,但依照這個(gè)道理,其實(shí)除了惰性氣體元素,幾乎任何兩種元素的原子都能實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。

        拿鈉原子和銫原子來(lái)說(shuō),鈉原子最外層有1個(gè)電子,銫原子最外層也只有1個(gè)電子(次外層8個(gè)電子),看似不論通過(guò)失去/得到電子,還是共享電子,都無(wú)法達(dá)到最外層擁有8個(gè)電子的目的。但其實(shí),只要我們?cè)O(shè)法把銫原子次外層中的6個(gè)電子“激發(fā)”到最外層(這樣,銫原子最外層就有了7個(gè)電子),然后與鈉原子最外層的1個(gè)電子共享,那么鈉原子和銫原子就能同時(shí)讓最外層電子數(shù)達(dá)到8個(gè)。換句話說(shuō),在這種情況下,鈉原子和銫原子也能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

        原子層次上操控化學(xué)反應(yīng)

        你可能覺(jué)得這太不可思議了,不過(guò)這個(gè)過(guò)程一般情況下是不會(huì)發(fā)生的,需要十分苛刻的條件才能完成。

        首先,需要超低溫度。溫度越低,原子運(yùn)動(dòng)越慢,可以讓鈉原子和銫原子有充分的時(shí)間接觸;其次,需要把銫原子次外層的6個(gè)電子激發(fā)到最外層;最后,還需要有一只“手”來(lái)操控原子;而這一切,都離不開(kāi)一樣?xùn)|西——激光。

        在低溫技術(shù)中,有一項(xiàng)叫激光冷卻。目前,人類達(dá)到的最低溫度就是通過(guò)激光冷卻達(dá)到的。其原理是,根據(jù)光的波粒二象性,光具有粒子的特性,當(dāng)光照在物體上時(shí),像皮球打在墻上一樣,會(huì)對(duì)墻產(chǎn)生壓力,這叫光壓。當(dāng)然,光壓是非常小的,例如太陽(yáng)光照在我們身上時(shí)產(chǎn)生的壓力我們從來(lái)感覺(jué)不到。但是高能激光(意味著光子的能量很大)照在單個(gè)的原子上,其作用就不可小覷了。所以,當(dāng)一個(gè)原子在運(yùn)動(dòng)時(shí),對(duì)面照來(lái)一束激光,就可以降低它的速度,達(dá)到冷卻的目的。根據(jù)這個(gè)原理,科學(xué)家還研制出“光鑷子”,利用它可以很方便地“夾”住一個(gè)原子、分子,把它牽引到任何地方。如今,“光鑷子”已經(jīng)普遍應(yīng)用于物理學(xué)和生物學(xué)的研究中。

        至于讓原子“激發(fā)”,這也是激光的拿手好戲。適當(dāng)能量的激光打到銫原子次外層電子上,電子吸收能量,可以跳到最外層。

        在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,科學(xué)家先用激光把鈉原子和銫原子冷卻到-273.123℃左右,然后用光鑷子把它們夾到同一個(gè)地方,讓它們接觸,最后用另一束激光把銫原子激發(fā),于是反應(yīng)生成了一種新的化合物——鈉銫分子(NaCs)。

        這項(xiàng)技術(shù)可以讓我們非常精準(zhǔn)地操控化學(xué)反應(yīng),生成許多應(yīng)用廣闊的化合物。比如,這次合成的鈉銫分子就是未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的理想存儲(chǔ)材料。

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