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    第一個(gè)里德伯分子制成 基礎(chǔ)量子論獲支持

    2018/8/15 9:15:23

    據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,現(xiàn)在科學(xué)家終于制出一直存在于理論中的里德伯(Rydberg)分子。這種分子通過兩個(gè)原子之間令人難以捉摸的極其微弱的化學(xué)鍵形成。這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。因?yàn)榉肿又械钠渲幸粋(gè)原子擁有一個(gè)距離核子或稱中心較遠(yuǎn)的電子,因此會(huì)產(chǎn)生這種新型連接方式。 
     
      這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)有力地支持了基礎(chǔ)量子論,該理論是由諾貝爾獎(jiǎng)得主恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi)提出的,它們闡述了電子是如何運(yùn)行的,以及它們之間的相互作用。現(xiàn)在正被討論的里德伯分子,是通過兩個(gè)銣原子形成的,其中一個(gè)是里德伯原子,另一個(gè)是“正常”原子。原子里的電子圍繞一個(gè)中央核運(yùn)行,在原子外層運(yùn)行的電子,距離核心更遠(yuǎn)。里德伯原子非常特殊,因?yàn)樗淖钔鈱榆壍郎蟽H有一個(gè)電子,從原子的角度來說,這個(gè)電子距離它的核子非常遠(yuǎn)。 
     
      1934年費(fèi)米預(yù)言說,如果另一個(gè)原子“發(fā)現(xiàn)”一個(gè)游蕩的單一電子,它可能會(huì)與它產(chǎn)生相互作用。美國(guó)科羅拉多大學(xué)的理論物理學(xué)家克里斯·格倫尼是第一個(gè)預(yù)言里德伯分子存在的人。他解釋說:“費(fèi)米可能從沒想到這種分子能夠形成。我們承認(rèn),我們?cè)?0世紀(jì)70年代和80年代進(jìn)行這方面的研究的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)里德伯原子和基態(tài)原子(即正常原子)之間可能存在力場(chǎng)。直到現(xiàn)在我們才有可達(dá)到如此低溫環(huán)境的系統(tǒng),因此直至今天我們才能制造出這種分子。” 
     
      需要合適距離和時(shí)間 
     
      斯圖加特大學(xué)的維拉·本德庫(kù)賽負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究,她解釋說,要想制作這種分子,溫度必須非常低。她說:“原子里的核子必須相距一定距離,兩個(gè)電子才能產(chǎn)生相互作用。我們利用一個(gè)超冷的銣氣團(tuán)進(jìn)行試驗(yàn),氣體越冷,它里面的原子之間的距離就越近。”當(dāng)溫度幾乎接近絕對(duì)零度,即零下273攝氏度時(shí),兩個(gè)原子之間的距離就達(dá)到大約100納米的“臨界距離”。 
     
      當(dāng)其中一個(gè)原子是里德伯原子時(shí),兩個(gè)原子就會(huì)形成一個(gè)里德伯分子。與普通分子相比,100納米的距離已經(jīng)是一個(gè)很大的距離。格倫尼教授說:“里德伯電子跟牧羊犬類似,它在‘牧群’的最外圍監(jiān)視,如果有誰想離開群體,它就會(huì)把它重新趕回中心區(qū)。” 
     
      讓這種電子離開外圍,形成一個(gè)里德伯原子,需要很多能量。本德庫(kù)賽解釋說:“我們利用激光促使原子進(jìn)入形成里德伯分子的階段。如果我們擁有處于臨界密度的氣體,兩個(gè)原子之間的距離又符合要求,可以形成里德伯分子,我們就會(huì)利用激光促使一個(gè)原子達(dá)到符合形成里德伯分子的狀態(tài),這樣一個(gè)里德伯分子就形成了。” 
     
      這項(xiàng)超冷試驗(yàn)還是一項(xiàng)超速試驗(yàn),因?yàn)榇嬖跁r(shí)間最長(zhǎng)的里德伯分子也只能幸存18微秒。但是能夠制造出這種分子,并且人們可以看到它,這些事實(shí)充分證實(shí)了長(zhǎng)期以來一直存在的基本原子理論。倫敦大學(xué)學(xué)院的物理化學(xué)家海倫·菲爾丁說:“這是一系列激動(dòng)人心的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)顯示,這種方法是切實(shí)可行的,我們非常樂意利用這種方法測(cè)驗(yàn)其他基礎(chǔ)物理學(xué)。” 
     
      獲得諾貝爾獎(jiǎng)金的觀點(diǎn) 
     
      格倫尼受到另一項(xiàng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)研究項(xiàng)目的啟發(fā),提出現(xiàn)實(shí)中可以存在里德伯分子的預(yù)言。1924年,印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色(Satyendra Nath Bose)把一些有關(guān)粒子的理論計(jì)算數(shù)據(jù)寄給艾伯特·愛因斯坦,愛因斯坦根據(jù)這些數(shù)據(jù)預(yù)言說,如果一些氣體的溫度非常低,所有原子都能突然達(dá)到它們的“最低能量狀態(tài)”,那么這種狀態(tài)下的原子幾乎都將被凍結(jié),它們開始以相同方式運(yùn)行,并且可以預(yù)知它們的運(yùn)行方式。 
     
      從某種意義上來說,這個(gè)過程跟氣體突然被濃縮成液滴的過程類似。當(dāng)科學(xué)家通過降溫和誘捕堿性原子的方式達(dá)到玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)目標(biāo)時(shí),格倫尼意識(shí)到他們可以利用超冷物理學(xué)合成在任何其他環(huán)境下都無法存在的里德伯分子。 
    (來源:《科學(xué)時(shí)報(bào)》)

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