诺贝尔物理学奖和化学奖科普宣传画

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1999
年度诺贝尔化学奖--宣传画内容(略图)

瑞典皇家科学院将1999年度诺贝尔化学奖授予阿迈德·泽维尔,以表彰他利用飞秒光谱学对化学反应过度态的研究。

阿迈德·泽维尔

决定分子命运的瞬间
化学反应-在高低起伏的能量表面运动。
和自然界中的所有物质一样,分子总是设法达到可能的最低能量状态,因而可以用能量面来描述化学反应。象滑水板上的儿童一样,在能量面上分子试图达到最低点。你需要中够的速度(高的能量)以越过浪峰。
环丁烷分子把环打开形成两个乙烯分子的情形。
泽维尔利用飞秒
激光脉冲激发环戊酮研究了这一反应。他能够证明这个反应要经过一个寿命为几百飞秒的过渡中间态才能完成。关于这是两个键同时打开的一步反应,还是两个键先后打开的两步过程,这一持续了很久的争论至此得到了平息。
如果我们要理解、预测或者改变化学反应的过程,就要知道这些过渡态的性质。在近100年间,化学反应过渡态一直是一个猜想,几乎没有化学浓相信真能观察到。但是泽维尔成功地做到了这一点。

 


泽维尔-飞秒乐园的国王
阿迈德·泽维尔(Ahmed H. Zewail)出生于动脉的亚力山大附近。多年来,他一直工作于美国帕塞迪那的加州理工学院。他在那里领导一个很大的激光飞秒化学实验室,称为飞秒乐园。他还担任分子科学实验室(LMS)的主任。
阿迈德·泽维尔获得1999年度诺贝尔化学奖,他的工作第一次揭示了化学反应的决定性时刻--- 化学键打开和形成的瞬间
泽维尔的技术利用了可以称之为世界上最快的照相机。由于分子非常小(约10-9米),并且速度极快(约每秒1000米),这种照相机的"快门速度"必须非常高。为了得到分子在化学反应过程中的清晰"图象",需要飞秒(10-15秒)的快门速度。

1ms (毫秒) 1毫秒=0.001秒=10-3秒
1μs (微秒) 1微秒=0.000001=10-6秒
1ns (纳秒) 1纳秒=0.0000000001秒=10-9秒
1ps (皮秒) 1皮秒=0.0000000000001秒=10-12秒
1fs (飞秒) 1飞秒=0.000000000000001秒=10-15秒
光在一秒里可以从地球到月亮,而在一飞里传播的距离比人类的头发的直径还要小得多。


"世界上最快的照相机"记录由激光诱导的化学反应中所发生的事情: 一个飞秒激光脉冲(启动脉冲)首先引发化学反应,在一个短时间以后,第二个脉冲(观察脉冲)对反应分子"拍照"

逐步延迟启动脉冲后观察脉冲的时间可以获得化学反应过程的"影片"。早先预测的极为短暂的过渡态可以被确认和表征。

这个实验并不直接给出分子的图像,而是通过测量某些特征性质,如光学性质(光谱测量)或记录分子质量(质谱测量),来观察反应分子。


1878年,摄影师莫依而里奇能够用当时最快的照相机拍摄物体。人们曾经急诊奔跑的马是否在某一时刻四蹄都完全离开地面,并为此设计了一个25000美元的赌局,他的系列照片解决了这一争议。

阿累尼乌斯的遗产
瑞典化学家斯温特·阿累尼乌斯(1903年诺贝尔奖获得者)对于化学反应速率如何随温度而变化很感兴趣。他得到的结论是,从反应物到产物的转变中必定存在一个中间态。这就是现在熟知的过渡态。这个态可以想象成能量面上的最高点,即反应分子在形成产物之前必须越过的山顶。阿累尼乌斯在反应速率能量势垒的高度(Ea)以及温度(T)之间建立了联系。

探索更短的时间
早在1964-64年瓦尔特·科恩就指出: 一个量子力学体系的能量仅由其电子密度所决定。这个量比薛定谔方程中复杂的波函数要容易得多。科恩同时还提供一个方法来建立方程,从其解可以得到体系的电子密度和能量。这个方法称为密度泛函理论,已经在化学中得到广泛应用,因为简单,可以应用于较大的分子。

1889年 阿累尼乌斯预言化学反应中过渡态的存在。
1920年代 混合实验得到毫秒时间尺度里化学反应的信息。
1949年 闪光光解方法的出现,使在研究化学反应时不需对反应物进行混合。这个方法所依据的事实是,光能够诱导化学反应(光化学)。对化学反应的观察进入微秒时间尺度。
1960年 激光的发明迅速地实现了从纳秒到皮秒尺度的时间分辨。从毫秒到皮秒时间尺度对化学反应的研究产生了很有价值的信息,但仍然不能直接观察分子运动。
1967年 泽维尔的第一个飞秒化学实验。
1999年 吉尼斯世界记录收入已报道的最短光脉冲:4.5飞秒。

飞秒化学走向未来
飞秒化学的一些研究应用

生物学:飞秒化学方法正在用于研究把光能转化成化学能的光合作用过程。所获得的知识可被用于发展新的方法和材料,并应用于人工模拟光合作用的研究。
材料科学:未来的电子学将基于光驱动的过程,以满足人们对速度更快、动能更强大的元器件的要求。飞秒化学正在为明天的电子学研究新的材料。
化学:能够控制化学反应是化学家的梦想!来自飞秒化学实验的知识为实现这一梦想提供了可能性,并有可能产生具有新性质的化学制品。
医学:飞秒化学可以应用于研究医学中的光化学反应,如光动力学癌症方法。