Reaksi kimia yang disebut adalah sekumpulan atom dan molekul di dalamnya Gaya antar atom Di bawah pengaruh, mereka mulai menata ulang dan mengubah cerita negara masing-masing.
Jadi secara teoritis, kita dapat menggunakan hukum fisika yang menjelaskan gaya antara atom-mekanika kuantum-untuk menyelesaikan proses setiap reaksi kimia.
Namun, meskipun mekanika kuantum telah lahir lebih dari 100 tahun, para ilmuwan masih belum mengetahui seperti apa gaya antar atom. Ini karena gaya antar atom terlalu rumit.
1. Mengapa gaya atom rumit?
Mengapa gaya antar atom begitu rumit? Ada dua alasan utama.
Alasan pertama adalah terlalu banyak anggota atom. Jangan mengira bahwa atom adalah bola padat kecil. Atom itu rumit, ada inti di dalamnya dan banyak elektron ekstranuklir.
Apalagi, sekumpulan barang ini tidak hanya disatukan secara acak. Mereka didasarkan pada hukum mekanika kuantum dan membentuk sistem kuantum kompleks melalui gaya di dalam atom.
Alasan kedua adalah terlalu banyak aksi kecil di setiap anggota atom. Misalnya, banyak inti memiliki beberapa cara untuk berputar, dan elektron terluar di luar setiap inti dapat bergerak cepat di antara beberapa orbital kosong.
Menurut mekanika kuantum, bahkan jika anggota dua atom persis sama, selama keadaan gerak anggota berbeda, gaya yang mereka hasilkan akan berbeda.
Namun, gaya dua atom bukanlah yang paling merepotkan. Dalam kimia, kita sering menjumpai reaksi kimia dari tiga atom dan empat atom.
Jika Anda menggabungkan beberapa atom, hitung gaya di antara anggota utamanya, dan pertimbangkan bahwa keadaan gerak setiap anggota berbeda ...
Pada akhirnya, Anda akan menemukan bahwa semakin banyak Anda menghitung, semakin merepotkan, dan tidak mungkin menggunakan mekanika kuantum untuk mencari tahu seberapa besar gaya tersebut. Jangan katakan Anda tidak jelas, bahkan komputer klasik pun tidak jelas.
Jadi, apakah benar-benar tidak ada cara bagi ilmuwan untuk mempelajari gaya antara banyak atom?
2. Kegiatan internal kelompok
Ada satu cara, tetapi alih-alih langsung ke subjek, pertama-tama Anda memutar kurva kecil dan membuat pengukuran tidak langsung dengan mempelajari aktivitas internal kelompok atom.
Misalnya, jika beberapa atom digabungkan oleh gaya antar atom untuk membentuk kelompok atom.
Pada titik ini, jika Anda memberi mereka sedikit energi, mereka biasanya akan menggunakan energi tersebut untuk melakukan berbagai aktivitas internal. seperti,
Tentu saja, jika terlalu banyak energi yang diterapkan, kelompok atom ini pasti akan pecah.
Tetapi jika energi yang diberikan cukup kecil, mereka tidak akan putus, karena gaya antar atom menyatukannya.
Setelah kelompok atom memiliki energi, ia masih dalam keadaan terdispersi, disebut Keadaan terikat . Metode mempelajari gaya antar atom terletak pada aktivitas internal dari keadaan terikat atom.
Sebagai analogi, ini seperti sekelompok orang yang membentuk geng sosial. Jika mereka tidak melakukan apa-apa, Anda tidak boleh yakin geng macam apa yang mereka bentuk dan kekuatan macam apa yang menyatukan mereka.
Pada saat ini, jika Anda memberi mereka sejumlah kecil uang (setara dengan sedikit energi untuk kelompok atom), dan kemudian mengamati apa yang akan mereka lakukan dengan uang tersebut, masalah akan terpecahkan.
Jika mereka lari untuk merokok, minum, dan membakar kepala mereka, maka mereka akan menjadi sekelompok teman, teman, dan teman, yang dipertahankan oleh kekuatan anggur dan daging. Jika mereka pergi membeli instrumen untuk membuat forum eksperimen, maka mereka adalah kelompok peneliti ilmiah, yang dipelihara oleh pesona sains. Jika mereka akan menyanyi, menari dan mendengarkan opera, maka mereka adalah geng kesusastraan dan kesenian, yang dipertahankan oleh ketegangan seni.
Dengan cara yang sama, untuk mempelajari gaya antar atom, ilmuwan harus menemukan cara untuk membuat atom membentuk keadaan terikat, dan kemudian mengamati bagaimana mereka melakukan aktivitas internal. Jika dua atom Aktivitas internal geng berbeda, yang menunjukkan bahwa kekuatan penjagaan kedua geng itu berbeda.
Jadi, bagaimana kita bisa mengetahui aktivitas internal dari keadaan terkendali ini?
tiga, Resonansi Fishbach:
Seorang yang cerdik Metode penelitian
Ada banyak metode penelitian untuk masalah ini. Tetapi tidak ada metode yang cerdik daripada metode yang kita perkenalkan hari ini. Ini dinamai fisikawan nuklir Jerman Feishbach :
Kita sering melihat berbagai fenomena resonansi dalam hidup kita. Misalnya, jika Anda mengetuk garpu tala A, garpu tala lainnya akan bergetar. Tapi ini bukan resonansi.
Jika terdapat garpu tala B yang frekuensi karakteristiknya sama persis dengan garpu tala A, maka amplitudo getaran garpu tala B akan luar biasa besar, seolah-olah Anda bahkan mengetuk garpu tala B. Ini disebut Resonansi .
Resonansi Feishbach juga merupakan fenomena resonansi. Artinya, pertama-tama, jika Anda menggabungkan beberapa atom, atom-atom ini akan memiliki peluang tertentu untuk berubah menjadi berbagai keadaan energi rendah, seperti merokok, minum, menyetrika rambut Anda ... Tentu saja, mereka Dimungkinkan juga untuk tidak melakukan apa-apa dan tetap sama.
Pada titik ini, jika Anda menyesuaikan ukuran medan magnet luar sehingga energi total atom-atom ini sama dengan energi keadaan minum, maka kemungkinan atom-atom tersebut membentuk keadaan terikat minum akan tiba-tiba meningkat, seolah-olah mereka sedang berjalan. Minum. Ini adalah resonansi Feishbach.
Secara keseluruhan, resonansi Feishbach adalah bahwa dua tumpukan atom berada dalam keadaan yang berbeda, tetapi energi totalnya pada dasarnya sama, dan dua tumpukan atom akan berubah menjadi satu sama lain, dan resonansi dalam pengertian mekanika kuantum akan terjadi.
Pada percobaan, jika terdapat resonansi Fischbach antara atom bebas dan atom liar, hasil percobaan akan menunjukkan puncak.
Jika puncak seperti itu tiba-tiba ditemukan dengan menyesuaikan medan magnet, artinya atom telah mengalami resonansi Fischbach, yang artinya para ilmuwan telah menemukan cara untuk melakukan aktivitas internalnya.
Jika para ilmuwan benar-benar menemukan semua cara aktivitas internal mereka, maka para ilmuwan secara eksperimental akan memecahkan interaksi antara atom-atom ini.
Empat, molekul NaK dan atom K.
Resonansi hamburan pertama
Singkatnya, terlalu sulit untuk mengandalkan kalkulasi teoritis untuk mempelajari gaya antara banyak atom. Ilmuwan berharap untuk menemukan semua aktivitas internal kelompok atom melalui eksperimen, dan kemudian membalikkan karakteristik gaya antar atom.
Salah satu metode eksperimental yang paling cerdik adalah dengan menggunakan resonansi Fishbach untuk secara langsung mengubah atom bebas menjadi keadaan terikat yang sedang menjalani beberapa aktivitas internal.
Semuanya sudah siap, Anda bisa mulai!
Oleh karena itu, pada 2019, kelompok peneliti Pan Jianwei dan Zhao Bo dari University of Science and Technology of China menerbitkan makalah eksperimental di jurnal Science.
Mereka menggunakan metode eksperimental yang disebutkan di atas untuk mempelajari resonansi Feschbach molekul NaK dan atom K untuk pertama kalinya pada suhu sangat rendah 0,0000005K. Dengan kata lain, untuk pertama kalinya dalam percobaan, mereka secara tidak langsung mengukur gaya antara molekul NaK dan atom K.
Sebelum percobaan ini, banyak ilmuwan menggunakan percobaan suhu sangat rendah untuk mempelajari gaya antara dua atom. Tetapi para ilmuwan belum secara langsung mempelajari gaya antara atom dan molekul menggunakan eksperimen suhu sangat rendah. Jadi, eksperimen kelompok penelitian tersebut adalah Ukur gaya antara atom dan molekul diatomik untuk pertama kalinya .
Sederhananya, percobaan ini adalah menutup molekul NaK di berbagai keadaan dengan 10 kali jumlah atom K bebas di berbagai keadaan untuk melihat kapan mereka hanya akan bertabrakan menjadi gugus "K-Na-K". status.
Tentu saja, tabrakan langsung tidak dapat diterima. Tim peneliti juga akan menambahkan medan magnet dengan kekuatan berbeda ke eksperimen, dan menggunakan medan magnet untuk mengatur perbedaan energi sebelum dan sesudah tumbukan. Karena hanya jika kedua energi tersebut disetel persis sama, resonansi Fishbach akan terjadi.
Hasilnya, tim peneliti menemukan total 4 × 5 = 20 kombinasi molekul NaK dan atom K dalam keadaan berbeda dalam medan magnet antara 43 dan 120 Gauss. 11 Resonansi Fishbach .
Dengan kata lain, untuk pertama kalinya dalam percobaan, mereka menemukan 11 aktivitas internal dalam kelompok "K-Na-K".
Aktivitas internal ini mencerminkan gaya antara molekul NaK dan atom K, dan memberikan dasar eksperimental baru bagi ahli teori untuk mempelajari gaya ini.
5. Bangun jembatan antara mekanika kuantum dan kimia
Jenis ilmu yang mendinginkan atom dan molekul mendekati nol mutlak dan mempelajari interaksinya disebut Fisika kimia sangat dingin .
Fisika kimia ultra-dingin adalah jembatan yang menghubungkan mekanika kuantum dan kimia.
Jembatan ini sangat penting. Karena semua reaksi kimia, pada prinsipnya, dapat direduksi menjadi reaksi tumbukan sejumlah besar atom dan molekul di bawah mekanika kuantum. Sifat kuantum tabrakan akan terungkap sepenuhnya pada suhu ultra-rendah. Jika suatu hari, para ilmuwan belajar menggunakan mekanika kuantum untuk mendeskripsikan reaksi kimia secara lengkap, mereka dapat memasukkan rumus kalkulasi ke dalam komputer, dan sepenuhnya mensimulasikan setiap langkah dan detail reaksi kimia di tingkat atom.
Mungkin pada zaman itu, banyak percobaan kimia yang tidak membutuhkan kita mengeluarkan uang untuk melakukannya, cukup menggunakan komputer untuk menghitung. Penelitian dan pengembangan bahan baru, obat baru, dan proses mempelajari molekul protein tertentu dalam kehidupan juga akan menjadi lebih cepat dan lebih murah.
Namun, meskipun mekanika kuantum telah lahir selama lebih dari 100 tahun, para ilmuwan belum menemukan gaya kompleks antara banyak atom dan molekul.
Ini menunjukkan bahwa ada jurang pemisah yang sangat besar antara mekanika kuantum dan kimia. Fisikawan dan kimiawan berada di dua ujung jurang pemisah, dan mereka tidak dapat bertemu untuk waktu yang lama.
Oleh karena itu, bagaimanapun, jembatan fisika kimia ultra-dingin harus dimulai.
Tentu saja tidak ada yang tahu persis bagaimana jembatan itu harus dibangun. Karena fisika kimia ultra-dingin masih merupakan bidang penelitian ilmiah yang relatif primitif, semua orang meraba-raba.
Satu-satunya pekerjaan yang bisa dilakukan seorang ilmuwan adalah membuka gurun di sebelah jurang. Jika tidak ada jalan, buat jalan Anda sendiri; jika Anda tidak punya air, Anda bisa menggali sumur Anda sendiri; Anda tidak punya pengalaman, jelajahi diri Anda sendiri; jika Anda tidak punya peralatan, Anda membangunnya sendiri.
11 resonansi Fishbach yang ditemukan oleh Kelompok Riset Universitas Sains dan Teknologi Cina adalah pelopor mereka yang sukses di bidang fisika kimia ultra-dingin.
Di masa depan, para ilmuwan akan membuka gurun ini untuk waktu yang lama. Suatu hari, mereka akan membangun pilar demi pilar jembatan ini untuk memecahkan misteri reaksi kimia.
Sumber: Akun Resmi WeChat Mozi Salon
Tips: Baru-baru ini, aliran informasi akun resmi WeChat telah direvisi. Setiap pengguna dapat mengatur nomor langganan membaca yang sering, yang akan ditampilkan dalam bentuk kartu besar. Oleh karena itu, jika Anda tidak ingin ketinggalan artikel "Voice of Chinese Academy of Sciences", Anda harus melakukan hal berikut: Masuk ke akun publik "Voice of Chinese Academy of Sciences" klik menu di pojok kanan atas pilih "Set as Star"
- Kota Laochang telah menjadi "Xinjiekou", Distrik Chengdu Qinglong telah berganti pakaian baru selama Tahun Baru
- Penelitian telah menemukan sel-sel kekebalan dan faktor-faktor yang disekresikan yang memengaruhi peradangan jaringan, transformasi kanker, dan respons imunoterapi
- Bangun Kota Baru Bagian Timur menjadi "Kota Masa Depan" bagi dunia! Fan Ruiping mengajukan enam persyaratan