让原子跟“幽灵”成化学键

2019-03-19 14:07宋玉玲
科学之谜 2019年1期
关键词:三叶虫化学键原子核

宋玉玲

“幽灵化学键”的电脑模型

绿球代表里德伯原子的原子核。蓝球代表最外层电子,现在它定向于附近某个空无一物的空间,成一个三叶虫键,好像那里存在一个真实的原子似的。

我们在中学都学过化学键,即两个原子通过分享最外层电子,从而彼此绑在一起,形成稳定的分子。

俗话说“一个巴掌拍不响”。要形成化学键,至少也要有两个原子吧。但最近,科学家通过计算机模拟显示,也可以让氢原子跟一个实际上并不存在的原子(或者不如说一块空无一物的虚空),形成一个化学键。你说怪不怪?脑洞要大开了吧?

在介绍这件有趣的事儿之前,先回答此刻必定已萦绕在你脑子里的一个问题:既然另一个原子压根儿不存在,凭什么认为那是一个化学键呢?因为正如另一句俗话说的“敬神如神在”,氢原子的行为就好像那个原子真实存在着似的。

好了,接下去让我们细细道来。

奇特的“三叶虫分子”

就像我们的太阳系中行星绕着太阳转一样,原子中的电子也要绕着原子核转。电子的轨道距离原子核越远,能量越高。与行星的情况不同的是,电子可以在这些轨道上跳来跳去。比如,给低轨道的电子一个适当的能量,它就会跳到高轨道去,从而远离原子核。我们称能量最低的轨道为“基态”;称能量比基态高的轨道为“激发态”。电子从低能态跳到高能态,称为“激发”。

物理学上,把核外有一个电子已被激发到很高能量轨道的原子,称作“里德伯原子”。任何原子都可以成为里德伯原子。只要用激光照射原子,让其中一个电子激发,远远离开原子核,但又没有完全挣脱原子核的束缚就可以。要是挣脱了呢,就叫“电离”。里德伯原子就是接近电离状态的原子。

一般在化学反应中,成键的都是处于基态的原子。我们前面讲的是电子的“基态”,那么原子的“基态”又是什么意思呢?我们知道,一般的原子,原子核外电子数不止一个,但是根据你们在中学学过的“泡利不相容原理”,一个轨道最多只能填充2个电子,所以这些电子不可能全填充在最低能量的轨道上。所谓基态的原子,就是说,这些电子老老实实按能量从低到高的轨道填充,从而让整个原子能量最低。就好比货架,底下的格子填满了再填上面的格子,这样整个架子的势能最低。

但是,处于激发态的原子(核外至少有一个电子不老实,已跳到能量更高的轨道去了),也可以跟别的原子成化学键。比如,里德伯原子可以把那个激发的电子(此时它处于最外层)拿出来与附近另一个处于基态的原子共享,形成一个化学键,从而形成一个分子。

这样由一个普通原子和一个里德伯原子形成的分子,形状看起来像一只三叶虫,所以被称为“三叶虫分子”,而称其化学键为“三叶虫键”。化学上,化学键的长度是形成分子的两个原子之间的距离(即两个原子核之间的距离)。你想,在“三叶虫分子”中,两个原子离得那么远,“三叶虫键”自然就很长,一般要比普通化学键长得多,属于超大号的化学键,某些情况下达到普通化学键的1000多倍。

这类“三叶虫分子”是在2000年由理论预言的,15年后在实验室得到证实。通过这种办法,化学家现在可以制造出许多打破常规的分子。比如由两个铯原子组成的分子,其中一个是普通铯原子,另一个铯原子则是里德伯原子。

與“幽灵”也能成化学键

三叶虫键虽然奇特,但成键的毕竟还是两个原子,这一点并没有违反常识。现在,科学家又预言了一件更令人匪夷所思的事情:完全可以撇开另一个原子,只要有一个里德伯原子,就能形成三叶虫键。我们所需要做的,只是对里德伯原子施点小伎俩。

在理论模拟实验中,科学家采用的“小伎俩”是一系列精心设计的电脉冲和磁脉冲。把它们施加到里德伯氢原子上。在每个电脉冲期间,里德伯氢原子的最外层电子轨道被拉伸;而在每个磁脉冲期间,电子轨道又被稍微扭曲……这样一步步,一点点,通过电场和磁场来调整电子的轨道,竟然真的塑造出一个三叶虫键来:氢原子的电子定向于附近某个空间,好像那里存在一个与之成键的原子似的。这种“幽灵”般的三叶虫键在低温下足足保持了200微秒。

需要说明一下,这里的“定向”是指电子出现在某个方向的概率要比其他地方大得多的意思,并不是说固定于一个方向。其实,普通的化学键也是这个意思,不是说电子固定于成化学键的地方,只是说它出现在成键位置的概率比别处要高得多。

当然,这一切目前都还只停留在理论模拟上。接下来是尽快到实验中证实。如果证实了,还要看看这种幽灵化学键对化学反应有何影响。不过,那是另一个故事了。

猜你喜欢
三叶虫化学键原子核
关于原子核结构的讨论
物质构成中的“一定”与“不一定”
基于学科观念建构的“化学键”教学尝试
基于微观认识的“化学键”教学设计
化学键与分子间作用力考点精析
第五章 三叶虫大逃亡(下)
第四章 三叶虫大逃亡(上)
第五章 三叶虫大逃亡(下)
第四章 三叶虫大逃亡(上)
学生对化学键与分子间作用力的理解水平研究案例