實(shí)現(xiàn)不可能的化學(xué)反應(yīng)

山風(fēng)

我們都知道，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在原子和分子這個(gè)層次。盡管如此，我們卻總是拿宏觀物質(zhì)來做化學(xué)反應(yīng)，從沒聽說過科學(xué)家只取幾個(gè)原子、分子來做實(shí)驗(yàn)的。現(xiàn)在，美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了在原子的層次上操作化學(xué)反應(yīng)，讓一個(gè)鈉原子與一個(gè)銫原子結(jié)合，合成出一種宏觀層次上不可能生成的新分子——鈉銫分子。

你之前大概從來沒聽說過這種分子，也想象不到鈉原子和銫原子還會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，要理解這一點(diǎn)，我們需要從化學(xué)反應(yīng)的原理談起。

為什么鈉原子和銫原子

也能化學(xué)反應(yīng)？

我們從高中化學(xué)中知道，原子的最外層電子數(shù)一般情況下達(dá)到8個(gè)的時(shí)候是最穩(wěn)定的，所以在化學(xué)反應(yīng)時(shí)，一個(gè)原子往往要么通過失去/得到電子，要么通過與其他原子共享電子，來達(dá)到使自己的最外層擁有8個(gè)電子的目的。這是化學(xué)反應(yīng)之所以能夠發(fā)生的基本原理。

盡管通常我們看到的情況是，只有特定元素的原子才能兩兩結(jié)合，但依照這個(gè)道理，其實(shí)除了惰性氣體元素，幾乎任何兩種元素的原子都能實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。

拿鈉原子和銫原子來說，鈉原子最外層有1個(gè)電子，銫原子最外層也只有1個(gè)電子（次外層8個(gè)電子），看似不論通過失去/得到電子，還是共享電子，都無法達(dá)到最外層擁有8個(gè)電子的目的。但其實(shí)，只要我們?cè)O(shè)法把銫原子次外層中的6個(gè)電子“激發(fā)”到最外層（這樣，銫原子最外層就有了7個(gè)電子），然后與鈉原子最外層的1個(gè)電子共享，那么鈉原子和銫原子就能同時(shí)讓最外層電子數(shù)達(dá)到8個(gè)。換句話說，在這種情況下，鈉原子和銫原子也能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

原子層次上操控化學(xué)反應(yīng)

你可能覺得這太不可思議了，不過這個(gè)過程一般情況下是不會(huì)發(fā)生的，需要十分苛刻的條件才能完成。

首先，需要超低溫度。溫度越低，原子運(yùn)動(dòng)越慢，可以讓鈉原子和銫原子有充分的時(shí)間接觸；其次，需要把銫原子次外層的6個(gè)電子激發(fā)到最外層；最后，還需要有一只“手”來操控原子；而這一切，都離不開一樣?xùn)|西——激光。

在低溫技術(shù)中，有一項(xiàng)叫激光冷卻。目前，人類達(dá)到的最低溫度就是通過激光冷卻達(dá)到的。其原理是，根據(jù)光的波粒二象性，光具有粒子的特性，當(dāng)光照在物體上時(shí)，像皮球打在墻上一樣，會(huì)對(duì)墻產(chǎn)生壓力，這叫光壓。當(dāng)然，光壓是非常小的，例如太陽光照在我們身上時(shí)產(chǎn)生的壓力我們從來感覺不到。但是高能激光（意味著光子的能量很大）照在單個(gè)的原子上，其作用就不可小覷了。所以，當(dāng)一個(gè)原子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)面照來一束激光，就可以降低它的速度，達(dá)到冷卻的目的。根據(jù)這個(gè)原理，科學(xué)家還研制出“光鑷子”，利用它可以很方便地“夾”住一個(gè)原子、分子，把它牽引到任何地方。如今，“光鑷子”已經(jīng)普遍應(yīng)用于物理學(xué)和生物學(xué)的研究中。

至于讓原子“激發(fā)”，這也是激光的拿手好戲。適當(dāng)能量的激光打到銫原子次外層電子上，電子吸收能量，可以跳到最外層。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家先用激光把鈉原子和銫原子冷卻到-273.123℃左右，然后用光鑷子把它們夾到同一個(gè)地方，讓它們接觸，最后用另一束激光把銫原子激發(fā)，于是反應(yīng)生成了一種新的化合物——鈉銫分子（NaCs）。

這項(xiàng)技術(shù)可以讓我們非常精準(zhǔn)地操控化學(xué)反應(yīng)，生成許多應(yīng)用廣闊的化合物。比如，這次合成的鈉銫分子就是未來量子計(jì)算機(jī)的理想存儲(chǔ)材料。