漫画 | 超低温下测量原子间作用力,能否破解化学反应的奥秘?

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。




楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:05:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:06:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:06:00 +0800 CST  
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。




楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:07:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:07:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:08:00 +0800 CST  
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……


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:09:00 +0800 CST  
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,




楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:09:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:10:00 +0800 CST  
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


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:10:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:11:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:11:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:12:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:12:00 +0800 CST  
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:




楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:13:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:13:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:14:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:14:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:14:00 +0800 CST  
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。


楼主 社会我洪斌  发布于 2019-03-08 12:15:00 +0800 CST  

楼主:社会我洪斌

字数:3927

发表时间:2019-03-08 20:05:00 +0800 CST

更新时间:2019-05-31 17:34:03 +0800 CST

评论数:35条评论

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