「漫畫解讀Science成果」一個只涉及三個電子的化學反應居然這麼複雜？

「本文來源：科普中國」

作者：陳思（中國科學院大連化學物理研究所）

文章來源於科學大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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近日，中科院大連化物所在“最簡單”的化學反應氫原子加氫分子的同位素（H+HD→H2+D）反應中，發現了“不簡單”的量子干涉效應，有助於更深入地理解化學反應過程，豐富對化學反應的認識。相關文章於5月15日線上發表在《科學》（Science）雜誌上。

化學反應的本質是什麼？

跟量子有什麼關係？

一個只涉及三個電子的化學反應里居然同時存在兩種反應途徑？

只佔0。3%的小機率事件也能被捕捉到？

……

敬請收看本期走進科學之量子謎團~

【1】

上帝擲骰子嗎？

這是一個曾經或者一直困擾著人們的量子命題

你可能認為世界的執行是確定的、可預測的

一個物體不可能同時處於兩個相互矛盾的狀態

但是在量子的世界裡

世界的執行並不確定

一個物體可以同時處於兩種相互矛盾的狀態中

我們只能預測各種結果出現的機率

卻不能“左右”最後的結局

難道這真的都由上帝手中的骰子決定？

連大牛們都存在爭議

誰是誰非

爭論不休

但是隨著量子力學的大廈越建越高

讓我們對上帝到底擲不擲骰子

有了更深入的理解

【2】

光子、電子、原子、分子等微觀粒子

在運動過程中都遵循量子力學原理

值得一提的是

它們都是波粒二象性的“怪胎”

既有明顯的粒子特性，同時也有顯著的波動性

因此，經過不同運動軌跡而到達同一區域或量子態的粒子

會產生干涉

【3】

那麼，什麼是干涉呢？

如果我們有一個水波發射器，在水波運動的半路上放一個擋板

在擋板中間開兩個狹縫

然後再在狹縫的後面放一個螢幕

你會看到什麼？

水波在穿過兩個狹縫後會變成兩個子波

這兩個子波的波峰和波峰疊在一起就會加強

波峰和波谷疊在一起就會抵消

所謂“遇正則強，遇反則弱”

當它們抵達螢幕時就會出現強弱相間的條紋

這就是干涉

【3】

化學反應的發生

本質上就是粒子的碰撞

並伴隨著化學鍵的斷裂與生成

不同的碰撞引數

都可以發生化學反應

如同打桌球一樣

不同的切角、球速都能讓球進洞

因此量子干涉就會出現在不同碰撞引數產生的反應之間

所以說在化學反應中

量子干涉是普遍存在的

但是。。。

因為這些干涉圖樣複雜

並且在實驗上難以精確分辨這些干涉圖樣的特徵

所以

想要準確理解化學反應中干涉產生的根源

非常困難！！！

【4】

哪怕是所有化學反應中

表面看上去最簡單的H+HD→H2+D反應

（D是個啥？它是氫的同胞兄弟，但比氫多一箇中子）

只涉及三個電子

看似非常簡單

但其實也暗藏未解“玄機”

去年

科學家們就在該反應中發現了奇妙的現象

在特定的散射角度上

產物H2的多少會隨碰撞能而呈現特別有規律的振盪

其實，類似的振盪在不少反應的理論計算中都出現過

但是，都沒有像這個反應如此的有規律

而且迄今為止

沒人能解釋這樣現象產生的原因

【5】

近期，科學家們對該反應開展了理論結合實驗的詳細研究

透過改進的交叉分子束裝置

在實驗上實現了對後向散射訊號的精確測量

（別看我很凌亂，本領可是大大的）

（其實我也可以很夢幻）

僅僅精確測量可滿足不了科學家們的求知慾

還要知道這“優美的曲線”是怎麼來的

科學家創造性地發展了

利用拓撲學原理來分析化學反應發生的途徑的方法

。

。

（此處省略一萬字）

。

。

分析表明，這些後向振盪的“優美曲線”

實際上是由兩條反應途徑的干涉造成的

不僅如此

科學家們用經典力學方法

在一種反應途徑中

H碰撞後直接“拐走”了HD中的H原子

而另一種反應途徑中

H碰撞後，在HD中間“漫遊”了一會兒

才把HD中的H原子“拐走”

這兩條反應途徑所產生的H2分子

在特定的散射角度匯合併產生干涉

這就有了那條“優美的曲線”

有意思的是

第二種反應途徑只佔全部反應性的0。3%

如此微小的“存在”

竟然能夠被清晰地捕捉

這一研究成果發表在Science雜誌上

該研究不僅再次解釋了原子分子因碰撞而發生化學反應的量子化本質

而且揭示了化學反應的途徑是複雜的

如此簡單的反應體系竟然仍存在著人們認識不到的事實！

誰能保證小機率事件

不能夠產生意想不到的作用呢？