科学家在最简单的化学反应中发现了一个奇怪的量子干扰现象

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时间:2021-03-13 00:31:24
项目背景
同时,与之相关的化学反应动力学过程中的量子力学现象,经历几十年的研究更显具体。尽管这一自然界中最简单的反应体系已经被研究得相当透彻,但仍然存在着科学家们以前完全认识不到的新而且奇特的化学反应机理。但令人类窘迫的是,迄今为止,人类对化学反应的理解仍然是粗浅的;在很多人眼中,化学仍然是一门半经验的科学。因此在化学反应中,量子现象是普遍存在的。

科学家在最简单的化学反应中发现了一个奇怪的量子干扰现象

随着微观粒子各种量子现象的不断发展,量子力学的构建正在逐步建立。同时,经过数十年的研究亚博网页版登陆 ,与化学反应相关的动力学过程中的量子力学现象变得更加具体。

5月15日,《科学》杂志在线发表了相关研究成果。中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室杨学明和张东辉院士团队正在研究氢原子和氢同位素(H + HD→H2)的“最简单”化学反应+ D)分子反应,发现了异常的量子干扰效应,并利用该量子干扰效应首次揭示了化学反应中的几何相效应,其远低于圆锥形交点。

“一方面,这项研究再次揭示了化学反应的途径是复杂而有趣的。尽管已经对自然界中最简单的反应系统进行了充分的研究,但仍有一些科学家从未认识到的东西。新奇的化学反应机理。同时,量子干涉效应的发现还揭示了由于碰撞而发生的原子和分子化学反应过程的量子特征。”杨学明告诉《中国科学新闻》。

“这将有助于更深入地了解化学反应过程雅博体育app ,并丰富对化学反应的理解。”孙志刚说,论文的作者之一,中国科学院大连化学物理研究所研究员。

由于“测量”而准确

如果您从钻木头开始生火,那么人类就有使用化学反应的悠久历史。关于化学反应的知识早已成为现代文明的重要基石。但是令人尴尬的是,到目前为止,人类对化学反应的理解仍然是肤浅的。在许多人看来,化学仍然是半经验科学。

情况正在改变。就像大连化学技术学院分子反应动力学国家重点实验室新近完成的工作一样,科学家们也在努力开发通过组合实验准确地模拟和预测化学反应的方法,从而使化学研究变得越来越精确和详细。

杨学明这次描述了这一发现。该实验的成功是谢雨润和王玉峰等几位学生努力的结果。很难观察到这种量子干涉效应。他们通过改进实验设备和进行不懈的实验研究发现了这种有趣的量子干涉现象。更重要的是,通过这种量子干涉现象,可以在远低于该反应锥相交的能量处检测到几何相效应,这对于研究几何相效应对化学反应的影响具有重要的学术意义。 。 “

参考这一发现,论文的作者之一,中国科学院大连化学物理研究所研究员肖春雷,现在可以清楚地回忆起该小组实验的白天和黑夜。通过不断改进跨分子束实验装置,他们大大提高了实验的分辨率,在同时分辨量子态和散射角的水平上测量了化学反应的产物,最终成功地捕获了分子的线索。反应中的量子干涉现象。

“我们研究的目的是了解化学反应的发生方式,从而开发出精确模拟和预测化学反应的方法。也许有一天,当人们谈论化学时,他们认为不再是试管烧杯;为了了解化学反应,他会拿起键盘,将分子式输入计算机,然后计算机会告诉他具体的过程。”肖春雷说。

他说,到那时,化学将带来人类社会翻天覆地的变化。

化学反应的“量子性质”

在日常生活中,我们经常可以观察到波浪干扰。例如,由于阳光在肥皂膜上下表面之间的干扰,阳光下的肥皂泡会呈现出鲜艳的色彩。

在物理学中,干扰是指两行或多行波在空间中重叠以形成新波形的现象。在著名的杨氏双缝干涉实验中,当一束光束通过两个并排的缝隙时,后挡板会出现明暗现象:最亮处的光强度超过了原来的两束光。光的光强度与最暗处的光强度之和可以为零。光强度的这种重新分布称为“干涉条纹”。

诸如光子,电子,原子,分子等粒子在其运动期间遵循量子力学的原理,并具有波粒对偶性。因此,通过不同运动路径到达相同区域或量子态的粒子将具有干涉效应,例如光的传播。

化学反应的发生本质上是微观颗粒的碰撞,伴随着化学键的断裂和形成。因此,在化学反应中,量子现象是普遍的。但是秘密量子化学,由于这些量子现象很容易被掩盖,因此很难准确地理解这些量子现象的根本原因,而且通过实验也很难准确地区分这些量子现象的特征。

“解决复杂的问题通常始于简单的模型。在自然界的所有化学反应中,氢原子与氢分子(H + H 2)及其同位素(H + HD)的反应)是最简单的。仅此系统涉及三个电子,可以精确地计算出这三个原子在不同构型下的相互作用力。”孙志刚说,在此基础上,通过求解薛定inger方程,可以实现分子反应动力学过程的计算机模拟。我们可以从微观角度深刻地了解化学反应过程。

基于对该简单化学反应的动力学研究,科学家已经积累了丰富的理论化学知识。然而,由于化学反应过程的复杂性AG8国际大厅登录 ,人们仍在继续进行深入的相关研究,以加深对化学反应过程的理解。

捕获反应中的“线索”

基于先前的研究秘密量子化学,研究小组成员通过理论模拟发现,在特定的散射角下,H + HD反应产生的产物H2(氢分子)的量会随着碰撞能量表现出特别规则的振荡。在许多反应的理论计算结果中都出现了类似的振荡,但是这些振荡不像H + H2反应那样规则。而且,到目前为止,科学家对此现象还没有明确的解释。

针对这种振荡现象,大连化工学院进行了理论和实验的详细研究。 “从理论上说,量子反应散射理论得到了进一步发展,利用拓扑学原理分析化学反应路径的方法得到了创造性的发展。通过改进的跨分子束装置,在实验上可以实现更高的碰撞能量。精确测量反向散射信号。”肖春雷说。

拓扑分析表明,这些反向散射振荡实际上是由两个反应路径的干扰引起的。这两个反应路径对反向散射有重大贡献,但是它们各自的振幅不会随着碰撞能量的变化而显着变化,显示出相对平滑的曲线。它们的相位随碰撞能量而变化,一个线性增加,另一个线性减小。因此,相互干扰的结果呈现出强烈而规则的振荡现象。

研究人员进一步使用经典轨迹理论进行了分析,结果表明,其中一种反应途径与众所周知的直接反应过程相对应:H碰撞后,H直接“敲除”了HD中的H原子。另一个反应路径对应于一个称为“漫游机制”的反应过程:H和HD开始碰撞,“漫游”之后,它被插入HD的中间,然后HD中的H原子被“抢走”。这是一个非常特殊的反应通道。

“由两种不同类型的反应路径产生的氢分子会聚并以特定的散射角发生干涉,从而导致反应产物氢分子的规则振荡。”孙志刚说。特别有趣的是,在研究的碰撞能量范围内,通过漫游插入机制的反应仅占总反应性的一小部分(0. 3%)。但如此弱的反应通道可以对主要反应通道产生清晰而独特的量子干涉效应。

进入的H原子(黑色)在绕过HD分子中的D原子之后,穿过HD分子,带走了HD分子中的H原子,形成了H2分子,从而完成了化学反应。这是第一次发现的非常奇怪的反应通道。

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