來源：中科院之聲
在不少人看來，量子相關(guān)的研究和理論都比較“反?！?，其實在化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究中，也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)“反?！钡默F(xiàn)象，因為化學(xué)反應(yīng)的過程，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)動力學(xué)過程中的量子力學(xué)現(xiàn)象的研究，也越來越具體，化學(xué)反應(yīng)過程中小概率的“反?！爆F(xiàn)象，也不斷的被揭示出來。
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)明院士團隊在“最簡單”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)過程，豐富對化學(xué)反應(yīng)的認識。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發(fā)生疊加從而形成新的波形的現(xiàn)象。例如當一束光透過兩個并排的狹縫后，在后面的擋板上會出現(xiàn)明暗相間的現(xiàn)象：最亮的地方光強超過了原來兩束光的光強之和，而最暗的地方光強有可能為零，這種光強的重新分布被稱作“干涉條紋”。光子、電子、原子、分子等粒子，在其運動過程中，遵循量子力學(xué)原理，具有波粒二象性。因此，經(jīng)過不同運動途徑達到同一區(qū)域或量子態(tài)的粒子，會像光的傳播一樣發(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(xiàn)在通過不同碰撞參數(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，想要準確理解這些干涉產(chǎn)生的根源非常困難，因為這些干涉的圖樣復(fù)雜，而且在實驗上也難以精確分辨這些干涉圖樣的特征。
解決復(fù)雜問題經(jīng)常從簡單模型入手。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)是最簡單的。該體系只涉及三個電子，因此比較容易精確計算出這三個原子在不同構(gòu)型時的相互作用力。在此基礎(chǔ)上，通過求解薛定諤方程，就能夠?qū)崿F(xiàn)分子反應(yīng)動力學(xué)過程的計算機模擬，從而做到在微觀層次上深入理解化學(xué)反應(yīng)過程。
幾十年前，科學(xué)家們就對這個結(jié)構(gòu)簡單的反應(yīng)展開了研究，例如，2013年諾貝爾獎得主Martin Karplus在1974年就曾采用經(jīng)典力學(xué)的方法對這個反應(yīng)進行研究?？茖W(xué)家們基于對這個簡單的化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)研究，積累了豐富的理論化學(xué)知識。但由于化學(xué)反應(yīng)進程的復(fù)雜性，人們?nèi)栽诓粩嗟纳钊胂嚓P(guān)的研究，以便加深對于化學(xué)反應(yīng)過程的認識。
H+HD→H2+D反應(yīng)發(fā)生時所經(jīng)歷的兩條拓撲途徑示意圖。
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，其實在不少反應(yīng)的理論計算結(jié)果中出現(xiàn)過，但是那些振蕩都沒有像H+H2反應(yīng)這么有規(guī)律。而且，迄今為止，對于這樣的現(xiàn)象，科學(xué)家們并沒有一個清晰的解釋。
針對這個有規(guī)律的振蕩現(xiàn)象，大連化物所開展了理論結(jié)合實驗的詳細研究。理論上，進一步發(fā)展了量子反應(yīng)散射理論，創(chuàng)造性地發(fā)展了利用拓撲學(xué)原理來分析化學(xué)反應(yīng)發(fā)生途徑的方法。實驗上，通過改進了的交叉分子束裝置，實現(xiàn)了在較高碰撞能處對后向散射（散射角度為180度）信號的精確測量。
拓撲學(xué)分析表明，這些后向散射的振蕩實際上是由兩條反應(yīng)途徑的干涉造成的。這兩條反應(yīng)途徑對于后向散射均有顯著貢獻，但它們各自的幅度隨著碰撞能變化并無顯著變化，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，一個呈線性增加，另外一個呈線性減小，因此，相互干涉的結(jié)果就呈現(xiàn)了強烈的有規(guī)律的振蕩現(xiàn)象。
研究人員進一步采用經(jīng)典軌線理論進行分析，結(jié)果表明，其中一條反應(yīng)途徑對應(yīng)于我們所熟知的直接反應(yīng)過程，H碰撞后直接“拐”走了HD中的H原子；而另外一條反應(yīng)途徑對應(yīng)于一條類似于漫游機理的反應(yīng)過程，H碰撞后，在HD中間“漫游”了一會兒才把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，通過漫游機理而發(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驗所揭示出來。
笛卡爾坐標系下，通過漫游機理而發(fā)生的H+HD→H2+D反應(yīng)的示意圖。
該項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，盡管如此簡單的體系也仍然存在科學(xué)家們認識不到的事實。
生活中，有很多大事件都是由某些小概率事情觸發(fā)的，所以會給人“反常”的感覺。也許，科學(xué)家們在這個最“簡單”的化學(xué)反應(yīng)中所發(fā)現(xiàn)的“不簡單”的“反?！毙「怕史磻?yīng)機理，就會產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。
