【漫画解读Science成果】一个只涉及三个电子的化学反应居然这么复杂？

作者：陈思（中国科学院大连化学物理研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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近日，中科院大连化物所在“最简单”的化学反应氢原子加氢分子的同位素（H+HD→H2+D）反应中，发现了“不简单”的量子干涉效应，有助于更深入地理解化学反应过程，丰富对化学反应的认识。相关文章于5月15日在线发表在《科学》（Science）杂志上。

化学反应的本质是什么？

跟量子有什么关系？

一个只涉及三个电子的化学反应里居然同时存在两种反应途径？

只占0.3%的小概率事件也能被捕捉到？

……

敬请收看本期走进科学之量子谜团~

【1】

上帝掷骰子吗？

这是一个曾经或者一直困扰着人们的量子命题

你可能认为世界的运行是确定的、可预测的

一个物体不可能同时处于两个相互矛盾的状态

但是在量子的世界里

世界的运行并不确定

一个物体可以同时处于两种相互矛盾的状态中

我们只能预测各种结果出现的概率

却不能“左右”最后的结局

难道这真的都由上帝手中的骰子决定？

连大牛们都存在争议

谁是谁非

争论不休

但是随着量子力学的大厦越建越高

让我们对上帝到底掷不掷骰子

有了更深入的理解

【2】

光子、电子、原子、分子等微观粒子

在运动过程中都遵循量子力学原理

值得一提的是

它们都是波粒二象性的“怪胎”

既有明显的粒子特性，同时也有显著的波动性

因此，经过不同运动轨迹而到达同一区域或量子态的粒子

会产生干涉

【3】

那么，什么是干涉呢？

如果我们有一个水波发射器，在水波运动的半路上放一个挡板

在挡板中间开两个狭缝

然后再在狭缝的后面放一个屏幕

你会看到什么？

水波在穿过两个狭缝后会变成两个子波

这两个子波的波峰和波峰叠在一起就会加强

波峰和波谷叠在一起就会抵消

所谓“遇正则强，遇反则弱”

当它们抵达屏幕时就会出现强弱相间的条纹

这就是干涉

【3】

化学反应的发生

本质上就是粒子的碰撞

并伴随着化学键的断裂与生成

不同的碰撞参数

都可以发生化学反应

如同打桌球一样

不同的切角、球速都能让球进洞

因此量子干涉就会出现在不同碰撞参数产生的反应之间

所以说在化学反应中

量子干涉是普遍存在的

但是。。。

因为这些干涉图样复杂

并且在实验上难以精确分辨这些干涉图样的特征

所以

想要准确理解化学反应中干涉产生的根源

非常困难！！！

【4】

哪怕是所有化学反应中

表面看上去最简单的H+HD→H2+D反应

（D是个啥？它是氢的同胞兄弟，但比氢多一个中子）

只涉及三个电子

看似非常简单

但其实也暗藏未解“玄机”

去年

科学家们就在该反应中发现了奇妙的现象

在特定的散射角度上

产物H2的多少会随碰撞能而呈现特别有规律的振荡

其实，类似的振荡在不少反应的理论计算中都出现过

但是，都没有像这个反应如此的有规律

而且迄今为止

没人能解释这样现象产生的原因

【5】

近期，科学家们对该反应开展了理论结合实验的详细研究

通过改进的交叉分子束装置

在实验上实现了对后向散射信号的精确测量

（别看我很凌乱，本领可是大大的）

（其实我也可以很梦幻）

仅仅精确测量可满足不了科学家们的求知欲

还要知道这“优美的曲线”是怎么来的

科学家创造性地发展了

利用拓扑学原理来分析化学反应发生的途径的方法

。

。

（此处省略一万字）

。

。

分析表明，这些后向振荡的“优美曲线”

实际上是由两条反应途径的干涉造成的

不仅如此

科学家们用经典力学方法

在一种反应途径中

H碰撞后直接"拐走"了HD中的H原子

而另一种反应途径中

H碰撞后，在HD中间“漫游”了一会儿

才把HD中的H原子"拐走"

这两条反应途径所产生的H2分子

在特定的散射角度汇合并产生干涉

这就有了那条“优美的曲线”

有意思的是

第二种反应途径只占全部反应性的0.3%

如此微小的“存在”

竟然能够被清晰地捕捉

这一研究成果发表在Science杂志上

该研究不仅再次解释了原子分子因碰撞而发生化学反应的量子化本质

而且揭示了化学反应的途径是复杂的

如此简单的反应体系竟然仍存在着人们认识不到的事实！

谁能保证小概率事件

不能够产生意想不到的作用呢？

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