奇异的隧穿效应
1927年，德国物理学家弗里德里希·洪德（Friedrich Hund）在研究原子是如何结合形成分子时，发现了量子世界中的一个极为神秘的现象：在某些特定条件下，原子、电子或自然界中的其他粒子，可以“穿越”本该不可逾越的障碍，就好比是幽灵穿“墙”而过。
这些粒子所穿越的，其实并不是是一个物质性的障碍，而是可以限制这些粒子的势垒。例如一个被捕获的电子可以在不受外界影响的情况下逃脱束缚，就像一个高尔夫球从球场的一个洞中突然消失，再无缘无故地出现在另一个洞中。
量子隧穿允许粒子穿过势垒。（图/Universität Innsbruck/Harald Ritsch）
这种奇怪的物理现象，就是著名的量子隧穿。然而，在化学反应中，量子隧穿却非常罕见，所以很难在理论上和实验上进行研究。现在，在一项发表于《自然》杂志上的研究中，研究人员首次在实验中观察到量子隧穿反应。
被忽略的量子效应
许多化学反应可以被描述为粒子沿着由粒子间作用力产生的轨迹运动。但量子子力学告诉我们，粒子也可以表现得像波一样。想要预测化学反应中的这种量子特性，却非常困难。
用量子力学来精确描述三个粒子的化学反应，是一件极具挑战的事情；而想用量子力学来描述四个或四个以上的粒子的化学反应时，难度更是难以想象。因此，科学家在理解和描述这些反应时，通常只考虑经典物理学，而忽略掉其中的量子效应。
但是，这种忽略显然不适用于那些量子效应占主导地位的反应，比如隧穿反应。简单来说，在隧穿反应中，由于粒子具有波动属性，它们可以在不具备足够动能的情况下依然突破能量势垒，从而与其他粒子发生反应。
虽然，研究人员可以通过进行一些简化和假设，来对这些反应进行量子计算。但产生的近似结果的有效性，需要通过实验测量来检验。然而，由于化学中的隧穿效应是很难预测且难以发生的，它们的反应速率也非常缓慢，因此想要在实验中观测这一效应异常困难。
一个简单的反应
物理学家Roland Wester一直在这一领域探索。大约在15年前，他在一次学术会议上与人交谈时，萌生了一个想法：在一个简单的反应中，追踪量子力学隧穿效应。
在经过几次的努力尝试后，在最新的研究中，Wester和他的团队选择了宇宙中最简单、最丰富的元素——氢来进行实验。他们决定分析一个简单的离子分子反应：从一个氢分子（H₂）上，转移一个带正电的氢离子（H⁺，质子），产生一个带负电的氢离子（H⁻）。
为了实现这个离子分子反应，在实验中，他们将带负电的氘（氢的同位素）离子（D⁻）置于一个寒冷的离子阱中，然后向阱中充满氢气（H₂），D⁻与H₂会形成一个HD分子和一个H⁻（即D⁻+ H₂→H⁻+ HD）。
然而，由于温度非常低，D⁻缺乏与H₂以常规方式发生反应的能量。但在非常罕见的情况下，两者碰撞时确实会发生反应。这种反应就是由隧穿效应引起的。2018年，理论物理学家计算出，这种由量子隧穿引起的反应，大约只在每1000亿碰撞中发生一次。
在实验中，研究人员为这些可能在离子阱中发生的反应给出了约15分钟的反应时间。接着，他们从离子阱中提取所有离子，并测定形成的H⁻的数量，进而推断反应速率。
结果表明，当H₂的密度较小时，测量结果与理论预测结果非常一致；但当H₂的密度较大时，反应速率会有所增加。
为了理解这种增长，研究人员对阱中的离子轨迹进行了计算机模拟。模拟结果表明，这种增长可以用一种与加热动力学有关的机制来解释，当H₂的密度较小时，这种机制的效应可以忽略不计。
为更好地理解奠定基础
这样的实验结果意味着，经过15年的研究，科学家第一次证实了化学反应中的量子隧穿效应的精确理论模型。这一突破性的结果为更好地理解许多化学反应奠定了基础，并有助于为这些化学反应创建更简单的理论模型。
#创作团队：
撰文：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.uibk.ac.at/en/newsroom/2023/quantum-chemistry-molecules-caught-tunneling/
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00320-w
https://www.newscientist.com/article/2361956-strange-quantum-event-happens-once-every-10-billion-chances/
#图片来源：
封面图&首图：University of Innsbruck/Harald Ritsch
发表于 2023-3-19 02:53
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