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在接近绝对零度下,揭示分子的碰撞:量子力学规定分子是波动的

2020/6/24 10:27:56 来源:原创 浏览:

碰撞实验为详细了解单个粒子水平上的分子相互作用提供了新方法,分子和材料研究所的理论和实验物理学家在《科学》期刊上这项新研究,全面描述了温度接近绝对零度(-273.15℃)的分子碰撞,揭示了支配分子碰撞内部运作的量子力学基本定律。在低温下,量子力学规则规定分子行为是波动的,在这种情况下,分子碰撞更类似于水波撞击岩石,而不是台球之间的碰撞。

分子在碰撞中的这种波动行为的结果,就是共振的发生。在特定的碰撞能量下,碰撞分子在飞离之前形成了一个长寿命的复合体,即所谓的共振。在这些特定的能量下,散射行为与在附近能量下的散射行为有很大不同,因为分子在一起的时间更长,并且它们之间的相互作用,对碰撞的结果有更强影响。分子间的相互作用,可以用“相互作用势”的形式来定量表示。

量子力学提供了从先进的“从头算”计算中,获得这种相互作用势的可能性,并随后将它们用于预测碰撞实验结果的“量子散射”计算中。当计算结果与实验数据吻合时,证实了从头计算的准确性。Bas van de Meerakker教授的实验小组和Gerrit Groenenom教授理论小组之前的合作已经证明,这是一个非常有用的工具,可以详细和准确地理解分子之间的相互作用。

低能碰撞

在实验中,研究人员能够在略高于绝对零度的温度下,检测到碰撞中的共振。Bas van de Meerakker冷分子光谱学博士研究员蒂姆·德·琼(Tim De Jongh)解释说:在这些极低的温度下,由于共振的存在,我们可以观察到分子间相互作用的细节大大增强,从而可以利用这一点来灵敏地测试从头计算。然而,实验结果与理论计算结果并不相符,Gerrit Groenom理论化学小组博士研究员Matthieu Besemer澄清说:

用通常被称为‘黄金标准’的方法,计算相互作用势足够准确,足以再现所有之前的实验数据,但对于这些测量,我们不得不将相互作用势的计算范围扩大到标准理论之外。挑战来自于精确描述分子复合物中存在的大量电子之间相互作用的困难。通过使用超出“黄金标准”的从头计算,实验和理论之间取得了一致。两个学科和小组之间的协同作终于达成一致,并增强了我们对在量子力学下分子相互作用的理解。

HET控制碰撞

科学家已经证明,通过将相互作用降低到最基本的形式,可以观察到最细微的影响。在这些低温下,分子间的相互作用很容易受到电场等外部影响的影响。最终,这意味着研究人员将能够利用外场来调节甚至控制碰撞。这不仅创造了以尽可能高的细节探测分子碰撞的前景,而且创造了以最高控制能力操纵碰撞的前景。

博科园|研究/来自:荷兰科学研究组织NWO

研究发表期刊《科学》

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