來(lái)源：中科院之聲
在不少人看來(lái)，量子相關(guān)的研究和理論都比較“反?！保鋵?shí)在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中，也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)“反?！钡默F(xiàn)象，因?yàn)?a href="/kx/guonazixun/58251.html">化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，也受量子力學(xué)原理支配。隨著微觀粒子的各種量子現(xiàn)象研究的不斷開展，量子力學(xué)的大廈被逐漸搭建，而與之相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的量子力學(xué)現(xiàn)象的研究，也越來(lái)越具體，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中小概率的“反?！爆F(xiàn)象，也不斷的被揭示出來(lái)。
近日，中科院大連化物所肖春雷研究員、孫志剛研究員、張東輝院士和楊學(xué)明院士團(tuán)隊(duì)在“最簡(jiǎn)單”的化學(xué)反應(yīng)氫原子加氫分子的同位素（H+HD→H2+D）反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)了“不簡(jiǎn)單”的化學(xué)反應(yīng)中新的量子干涉效應(yīng)，有助于更深入地理解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，豐富對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。相關(guān)文章于5月15日在線發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。
物理學(xué)中，干涉是兩列或兩列以上的波在空間中重疊時(shí)發(fā)生疊加從而形成新的波形的現(xiàn)象。例如當(dāng)一束光透過(guò)兩個(gè)并排的狹縫后，在后面的擋板上會(huì)出現(xiàn)明暗相間的現(xiàn)象：最亮的地方光強(qiáng)超過(guò)了原來(lái)兩束光的光強(qiáng)之和，而最暗的地方光強(qiáng)有可能為零，這種光強(qiáng)的重新分布被稱作“干涉條紋”。光子、電子、原子、分子等粒子，在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，遵循量子力學(xué)原理，具有波粒二象性。因此，經(jīng)過(guò)不同運(yùn)動(dòng)途徑達(dá)到同一區(qū)域或量子態(tài)的粒子，會(huì)像光的傳播一樣發(fā)生干涉效應(yīng)。
光波的雙縫干涉
化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，本質(zhì)上就是粒子的碰撞，并伴隨化學(xué)鍵的斷裂和生成。在不同的碰撞參數(shù)下，都可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如同打臺(tái)球一樣，不同的切角、球速都能讓球進(jìn)洞。因此量子干涉就會(huì)出現(xiàn)在通過(guò)不同碰撞參數(shù)而產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物之間。在化學(xué)反應(yīng)中，量子干涉現(xiàn)象是普遍存在的。但是，想要準(zhǔn)確理解這些干涉產(chǎn)生的根源非常困難，因?yàn)檫@些干涉的圖樣復(fù)雜，而且在實(shí)驗(yàn)上也難以精確分辨這些干涉圖樣的特征。
解決復(fù)雜問(wèn)題經(jīng)常從簡(jiǎn)單模型入手。在所有化學(xué)反應(yīng)中，氫原子加氫分子（H+H2）及其同位素（H+HD）的反應(yīng)是最簡(jiǎn)單的。該體系只涉及三個(gè)電子，因此比較容易精確計(jì)算出這三個(gè)原子在不同構(gòu)型時(shí)的相互作用力。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)求解薛定諤方程，就能夠?qū)崿F(xiàn)分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，從而做到在微觀層次上深入理解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。
幾十年前，科學(xué)家們就對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的反應(yīng)展開了研究，例如，2013年諾貝爾獎(jiǎng)得主Martin Karplus在1974年就曾采用經(jīng)典力學(xué)的方法對(duì)這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行研究。科學(xué)家們基于對(duì)這個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究，積累了豐富的理論化學(xué)知識(shí)。但由于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的復(fù)雜性，人們?nèi)栽诓粩嗟纳钊胂嚓P(guān)的研究，以便加深對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。
H+HD→H2+D反應(yīng)發(fā)生時(shí)所經(jīng)歷的兩條拓?fù)渫緩绞疽鈭D。
大連化物所在先期理論研究工作中發(fā)現(xiàn)，在特定散射角度上，H+HD反應(yīng)生成的產(chǎn)物H2（氫氣分子）的多少會(huì)隨碰撞能而呈現(xiàn)特別有規(guī)律的振蕩。類似有規(guī)律的隨碰撞能變化而振蕩的現(xiàn)象，其實(shí)在不少反應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)過(guò)，但是那些振蕩都沒(méi)有像H+H2反應(yīng)這么有規(guī)律。而且，迄今為止，對(duì)于這樣的現(xiàn)象，科學(xué)家們并沒(méi)有一個(gè)清晰的解釋。
針對(duì)這個(gè)有規(guī)律的振蕩現(xiàn)象，大連化物所開展了理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)研究。理論上，進(jìn)一步發(fā)展了量子反應(yīng)散射理論，創(chuàng)造性地發(fā)展了利用拓?fù)鋵W(xué)原理來(lái)分析化學(xué)反應(yīng)發(fā)生途徑的方法。實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)改進(jìn)了的交叉分子束裝置，實(shí)現(xiàn)了在較高碰撞能處對(duì)后向散射（散射角度為180度）信號(hào)的精確測(cè)量。
拓?fù)鋵W(xué)分析表明，這些后向散射的振蕩實(shí)際上是由兩條反應(yīng)途徑的干涉造成的。這兩條反應(yīng)途徑對(duì)于后向散射均有顯著貢獻(xiàn)，但它們各自的幅度隨著碰撞能變化并無(wú)顯著變化，呈現(xiàn)出一條比較光滑的曲線（如下圖所示）。而它們的相位隨著碰撞能變化，一個(gè)呈線性增加，另外一個(gè)呈線性減小，因此，相互干涉的結(jié)果就呈現(xiàn)了強(qiáng)烈的有規(guī)律的振蕩現(xiàn)象。
研究人員進(jìn)一步采用經(jīng)典軌線理論進(jìn)行分析，結(jié)果表明，其中一條反應(yīng)途徑對(duì)應(yīng)于我們所熟知的直接反應(yīng)過(guò)程，H碰撞后直接“拐”走了HD中的H原子；而另外一條反應(yīng)途徑對(duì)應(yīng)于一條類似于漫游機(jī)理的反應(yīng)過(guò)程，H碰撞后，在HD中間“漫游”了一會(huì)兒才把HD中的H原子“拐”走。這兩條不同類型的反應(yīng)途徑所產(chǎn)生的氫分子，在特定的散射角度會(huì)匯合并產(chǎn)生干涉，因此反應(yīng)產(chǎn)物氫分子就產(chǎn)生了有規(guī)律的振蕩。尤其有趣的是，通過(guò)漫游機(jī)理而發(fā)生的反應(yīng)，在所研究的碰撞能范圍，只占全部反應(yīng)性的0.3%左右。而如此微弱的小部分反應(yīng)性，卻能夠清晰地被理論和實(shí)驗(yàn)所揭示出來(lái)。
笛卡爾坐標(biāo)系下，通過(guò)漫游機(jī)理而發(fā)生的H+HD→H2+D反應(yīng)的示意圖。
該項(xiàng)研究一方面再次揭示了原子分子因碰撞而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程的量子性，另一方面，也揭示了化學(xué)反應(yīng)的途徑是復(fù)雜的，盡管如此簡(jiǎn)單的體系也仍然存在科學(xué)家們認(rèn)識(shí)不到的事實(shí)。
生活中，有很多大事件都是由某些小概率事情觸發(fā)的，所以會(huì)給人“反?！钡母杏X(jué)。也許，科學(xué)家們?cè)谶@個(gè)最“簡(jiǎn)單”的化學(xué)反應(yīng)中所發(fā)現(xiàn)的“不簡(jiǎn)單”的“反?！毙「怕史磻?yīng)機(jī)理，就會(huì)產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。
