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实现不可能的化学反应

我们都知道,化学反应发生在原子和分子这个层次。尽管如此,我们却总是拿宏观物质来做化学反应,从没听说过科学家只取几个原子、分子来做实验的。现在,美国哈佛大学的科学家首次实现了在原子的层次上操作化学反应,让一个钠原子与一个铯原子结合,合成出一种宏观层次上不可能生成的新分子——钠铯分子。

你之前大概从来没听说过这种分子,也想象不到钠原子和铯原子还会发生化学反应,要理解这一点,我们需要从化学反应的原理谈起。

为什么钠原子和铯原子也能化学反应?

我们从高中化学中知道,原子的最外层电子数一般情况下达到8个的时候是最稳定的,所以在化学反应时,一个原子往往要么通过失去/得到电子,要么通过与其他原子共享电子,来达到使自己的最外层拥有8个电子的目的。这是化学反应之所以能够发生的基本原理。

尽管通常我们看到的情况是,只有特定元素的原子才能两两结合,但依照这个道理,其实除了惰性气体元素,几乎任何两种元素的原子都能实现化学反应。

拿钠原子和铯原子来说,钠原子最外层有1个电子,铯原子最外层也只有1个电子(次外层8个电子),看似不论通过失去/得到电子,还是共享电子,都无法达到最外层拥有8个电子的目的。但其实,只要我们设法把铯原子次外层中的6个电子“激发”到最外层(这样,铯原子最外层就有了7个电子),然后与钠原子最外层的1个电子共享,那么钠原子和铯原子就能同时让最外层电子数达到8个。换句话说,在这种情况下,钠原子和铯原子也能发生化学反应。

原子层次上操控化学反应

你可能觉得这太不可思议了,不过这个过程一般情况下是不会发生的,需要十分苛刻的条件才能完成。

首先,需要超低温度。温度越低,原子运动越慢,可以让钠原子和铯原子有充分的时间接触;其次,需要把铯原子次外层的6个电子激发到最外层;最后,还需要有一只“手”来操控原子;而这一切,都离不开一样东西——激光。

在低温技术中,有一项叫激光冷却。目前,人类达到的最低温度就是通过激光冷却达到的。其原理是,根据光的波粒二象性,光具有粒子的特性,当光照在物体上时,像皮球打在墙上一样,会对墙产生压力,这叫光压。当然,光压是非常小的,例如太阳光照在我们身上时产生的压力我们从来感觉不到。但是高能激光(意味着光子的能量很大)照在单个的原子上,其作用就不可小觑了。所以,当一个原子在运动时,对面照来一束激光,就可以降低它的速度,达到冷却的目的。根据这个原理,科学家还研制出“光镊子”,利用它可以很方便地“夹”住一个原子、分子,把它牵引到任何地方。如今,“光镊子”已经普遍应用于物理学和生物学的研究中。

至于让原子“激发”,这也是激光的拿手好戏。适当能量的激光打到铯原子次外层电子上,电子吸收能量,可以跳到最外层。

在这个实验中,科学家先用激光把钠原子和铯原子冷却到-273.123℃左右,然后用光镊子把它们夹到同一个地方,让它们接触,最后用另一束激光把铯原子激发,于是反应生成了一种新的化合物——钠铯分子(NaCs)。

这项技术可以让我们非常精准地操控化学反应,生成许多应用广阔的化合物。比如,这次合成的钠铯分子就是未来量子计算机的理想存储材料。

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