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美国科学家在化学反应中观察到量子隧穿效应
2023-04-12 08:21:07   来源:冷聚变世界   评论:0 点击:

量子隧穿的奇怪现象已经在一种违反经典物理学的化学反应中观察到


 
        
        化学反应有点像从维也纳到威尼斯的旅行:你的目的地可能是下坡路,但要到达那里,你需要穿越阿尔卑斯山。你可以把分子必须经历的能量变化想象成一个景观。在反应的开始和结束之间,这种地形有时可能非常丘陵,如果分子缺乏能量来克服颠簸,否则根本不会发生有利的反应。然而,在其中一些情况下,这种反应确实会发生,这要归功于量子隧穿,它允许粒子偶尔穿过它们永远无法攀爬的能量屏障。这种奇怪的行为在传统物理学中是被禁止的,但在量子力学的狂野规则下是允许的。
 
       现在,在《自然》杂志上发表的一项新研究中,科学家们设法发现了量子隧穿,经典物理学认为氢分子和氘离子(氢的重电荷版本)之间不可能的反应。这是研究人员首次设法通过实验证实关于涉及离子的反应中隧穿速率的理论预测。“理论上的量子力学应该能够很好地预测这个[速率],”德国科隆大学的物理学家Stephan Schlemmer说,他没有参与这项研究。“但没有人确定这是否属实。
 
       粒子可以简单地出现在能量势垒的另一侧的想法可以追溯到德国物理学家弗里德里希·亨德(Friedrich Hund)。1927年,在研究分子如何与光相互作用时,他发现隧道在理论上应该是可能的。根据量子力学,粒子更像是概率云,而不是固体球体。这些概率云代表粒子的位置,延伸到无穷大。因此,尽管可能性极小,但量子粒子理论上可以在任何地方弹出,包括在经典粒子永远无法跨越的能量势垒的另一侧。
 
       1928年,隧穿也许是它最初的最伟大的胜利:整齐地解释了核α衰变,这是一种常见的放射性衰变类型,其中原子核吐出“α粒子” - 具有两个质子和两个中子的氦核 - 并在此过程中转化为较小的原子核。当氢分子和氘离子的三个原子成一条线相互接近时,就会发生这种情况,而一个氢原子跳过来与氘结合。在低温下,这种反应应该是不可能的,但它适用于隧道。从那以后,科学家们一直使用隧穿来解释从半导体到恒星心脏等环境中无法解释的事情。
 
       但是,尽管量子隧穿背后的想法现在已经有近一个世纪的历史了,但将理论和实验结合在一起来观察化学反应中的隧穿已被证明是棘手的。首先,量子隧穿非常罕见,依赖于它的反应通常很慢,这使得它们很难在实验室中观察。然后是理论计算本身,它涉及的数学非常复杂,以至于科学家只能预测最简单的反应的隧穿反应速率。“有了三个原子之间的反应,你可以做到,”奥地利因斯布鲁克大学的分子物理学家Roland Wester说,他是这项新研究的合著者。“有四个原子,有几个小组可以处理它。有了五个原子,世界上基本上没有人有办法做到完全量子化。
 
       氢气和氘离子之间的反应非常简单,仅用量子力学就可以预测反应速率。这就是为什么韦斯特的团队选择研究这种反应:研究人员实际上可以将理论与现实进行核对。在反应中,一个氢气分子与一个氘离子碰撞,产生一个氢离子和一个重的含氘氢分子。但是,当中佛罗里达大学的理论物理学家Viatcheslav Kokoouline和他的同事在2018年计算这些数字时,他们预测的反应速率比Wester团队之前测量的上限估计低数百倍。
 
       “[结果]与实验非常不一致,我们不想发表,”Kokoouline说。由于担心自己犯了错误,他和他的同事用三种不同的理论方法重复了他们的计算,得到了相同的结果。当然,计算可能是错误的,但“我们尽力了,这是我们[可以]提供的数字,”Kokoouline以前的学生Isaac Yuen说,他现在是堪萨斯州立大学的理论物理学家。
 
       问题在于反应速度极慢,因斯布鲁克团队花了大约 15 年的故障排除和修补时间,最终准确测量。为了做到这一点,研究人员将氘离子困在一个电场笼子里,用氢气冲洗它们,并将所有东西冷却到极其寒冷的15开尔文。在如此寒冷的温度下,氢和氘缺乏在没有隧道的情况下反应的能量。等待大约15分钟后,科学家们测量了产生了多少氢离子以找到反应速率。
 
       100分钟听起来不多,但对于经典反应,科学家经常进行测量“1毫秒,他们看到几乎所有的离子都转化为产物,”韦斯特说。“我们等了000秒,只有不到1%的离子转化为产物。
 
       每100亿次氢和氘离子碰撞中只有一次发生隧穿,这与Kokoouline和Yuen的理论计算非常吻合。“这些数字与实验相匹配,感觉非常惊人,”Yuen说。“我觉得这是一个巨大的胜利,作为一个理论家。
 
       像这样的离子之间的隧穿反应被认为对于扩散的星际电离气体汤中的化学合成很重要,这种电离气体为新的恒星系统提供了原材料。由于星际介质非常寒冷,经典反应非常缓慢,但隧穿的可能性更大——粒子在低温下彼此移动的速度更慢,这增加了隧穿的几率。

       文章原文连接:Tunnelling measured in a very slow ion–molecule reaction | Nature
 

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