讓原子跟“幽靈”成化學(xué)鍵

宋玉玲

“幽靈化學(xué)鍵”的電腦模型

綠球代表里德伯原子的原子核。藍(lán)球代表最外層電子，現(xiàn)在它定向于附近某個(gè)空無一物的空間，成一個(gè)三葉蟲鍵，好像那里存在一個(gè)真實(shí)的原子似的。

我們在中學(xué)都學(xué)過化學(xué)鍵，即兩個(gè)原子通過分享最外層電子，從而彼此綁在一起，形成穩(wěn)定的分子。

俗話說“一個(gè)巴掌拍不響”。要形成化學(xué)鍵，至少也要有兩個(gè)原子吧。但最近，科學(xué)家通過計(jì)算機(jī)模擬顯示，也可以讓氫原子跟一個(gè)實(shí)際上并不存在的原子（或者不如說一塊空無一物的虛空），形成一個(gè)化學(xué)鍵。你說怪不怪？腦洞要大開了吧？

在介紹這件有趣的事兒之前，先回答此刻必定已縈繞在你腦子里的一個(gè)問題：既然另一個(gè)原子壓根兒不存在，憑什么認(rèn)為那是一個(gè)化學(xué)鍵呢？因?yàn)檎缌硪痪渌自捳f的“敬神如神在”，氫原子的行為就好像那個(gè)原子真實(shí)存在著似的。

好了，接下去讓我們細(xì)細(xì)道來。

奇特的“三葉蟲分子”

就像我們的太陽系中行星繞著太陽轉(zhuǎn)一樣，原子中的電子也要繞著原子核轉(zhuǎn)。電子的軌道距離原子核越遠(yuǎn)，能量越高。與行星的情況不同的是，電子可以在這些軌道上跳來跳去。比如，給低軌道的電子一個(gè)適當(dāng)?shù)哪芰?，它就?huì)跳到高軌道去，從而遠(yuǎn)離原子核。我們稱能量最低的軌道為“基態(tài)”;稱能量比基態(tài)高的軌道為“激發(fā)態(tài)”。電子從低能態(tài)跳到高能態(tài)，稱為“激發(fā)”。

物理學(xué)上，把核外有一個(gè)電子已被激發(fā)到很高能量軌道的原子，稱作“里德伯原子”。任何原子都可以成為里德伯原子。只要用激光照射原子，讓其中一個(gè)電子激發(fā)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開原子核，但又沒有完全掙脫原子核的束縛就可以。要是掙脫了呢，就叫“電離”。里德伯原子就是接近電離狀態(tài)的原子。

一般在化學(xué)反應(yīng)中，成鍵的都是處于基態(tài)的原子。我們前面講的是電子的“基態(tài)”，那么原子的“基態(tài)”又是什么意思呢？我們知道，一般的原子，原子核外電子數(shù)不止一個(gè)，但是根據(jù)你們在中學(xué)學(xué)過的“泡利不相容原理”，一個(gè)軌道最多只能填充2個(gè)電子，所以這些電子不可能全填充在最低能量的軌道上。所謂基態(tài)的原子，就是說，這些電子老老實(shí)實(shí)按能量從低到高的軌道填充，從而讓整個(gè)原子能量最低。就好比貨架，底下的格子填滿了再填上面的格子，這樣整個(gè)架子的勢能最低。

但是，處于激發(fā)態(tài)的原子（核外至少有一個(gè)電子不老實(shí)，已跳到能量更高的軌道去了），也可以跟別的原子成化學(xué)鍵。比如，里德伯原子可以把那個(gè)激發(fā)的電子（此時(shí)它處于最外層）拿出來與附近另一個(gè)處于基態(tài)的原子共享，形成一個(gè)化學(xué)鍵，從而形成一個(gè)分子。

這樣由一個(gè)普通原子和一個(gè)里德伯原子形成的分子，形狀看起來像一只三葉蟲，所以被稱為“三葉蟲分子”，而稱其化學(xué)鍵為“三葉蟲鍵”?；瘜W(xué)上，化學(xué)鍵的長度是形成分子的兩個(gè)原子之間的距離（即兩個(gè)原子核之間的距離）。你想，在“三葉蟲分子”中，兩個(gè)原子離得那么遠(yuǎn)，“三葉蟲鍵”自然就很長，一般要比普通化學(xué)鍵長得多，屬于超大號的化學(xué)鍵，某些情況下達(dá)到普通化學(xué)鍵的1000多倍。

這類“三葉蟲分子”是在2000年由理論預(yù)言的，15年后在實(shí)驗(yàn)室得到證實(shí)。通過這種辦法，化學(xué)家現(xiàn)在可以制造出許多打破常規(guī)的分子。比如由兩個(gè)銫原子組成的分子，其中一個(gè)是普通銫原子，另一個(gè)銫原子則是里德伯原子。

與“幽靈”也能成化學(xué)鍵

三葉蟲鍵雖然奇特，但成鍵的畢竟還是兩個(gè)原子，這一點(diǎn)并沒有違反常識(shí)?，F(xiàn)在，科學(xué)家又預(yù)言了一件更令人匪夷所思的事情：完全可以撇開另一個(gè)原子，只要有一個(gè)里德伯原子，就能形成三葉蟲鍵。我們所需要做的，只是對里德伯原子施點(diǎn)小伎倆。

在理論模擬實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家采用的“小伎倆”是一系列精心設(shè)計(jì)的電脈沖和磁脈沖。把它們施加到里德伯氫原子上。在每個(gè)電脈沖期間，里德伯氫原子的最外層電子軌道被拉伸;而在每個(gè)磁脈沖期間，電子軌道又被稍微扭曲……這樣一步步，一點(diǎn)點(diǎn)，通過電場和磁場來調(diào)整電子的軌道，竟然真的塑造出一個(gè)三葉蟲鍵來：氫原子的電子定向于附近某個(gè)空間，好像那里存在一個(gè)與之成鍵的原子似的。這種“幽靈”般的三葉蟲鍵在低溫下足足保持了200微秒。

需要說明一下，這里的“定向”是指電子出現(xiàn)在某個(gè)方向的概率要比其他地方大得多的意思，并不是說固定于一個(gè)方向。其實(shí)，普通的化學(xué)鍵也是這個(gè)意思，不是說電子固定于成化學(xué)鍵的地方，只是說它出現(xiàn)在成鍵位置的概率比別處要高得多。

當(dāng)然，這一切目前都還只停留在理論模擬上。接下來是盡快到實(shí)驗(yàn)中證實(shí)。如果證實(shí)了，還要看看這種幽靈化學(xué)鍵對化學(xué)反應(yīng)有何影響。不過，那是另一個(gè)故事了。