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第一个里德伯分子制成 基础量子论获支持
2009-07-09  【 】【打印】【关闭
     据国外媒体报道,现在科学家终于制出一直存在于理论中的里德伯(Rydberg)分子。这种分子通过两个原子之间令人难以捉摸的极其微弱的化学键形成。这项研究结果发表在《自然》杂志上。因为分子中的其中一个原子拥有一个距离核子或称中心较远的电子,因此会产生这种新型连接方式。  
 
  这项发现有力地支持了基础量子论,该理论是由诺贝尔奖得主恩里科·费米(Enrico Fermi)提出的,它们阐述了电子是如何运行的,以及它们之间的相互作用。现在正被讨论的里德伯分子,是通过两个铷原子形成的,其中一个是里德伯原子,另一个是“正常”原子。原子里的电子围绕一个中央核运行,在原子外层运行的电子,距离核心更远。里德伯原子非常特殊,因为它的最外层轨道上仅有一个电子,从原子的角度来说,这个电子距离它的核子非常远。  
 
  1934年费米预言说,如果另一个原子“发现”一个游荡的单一电子,它可能会与它产生相互作用。美国科罗拉多大学的理论物理学家克里斯·格伦尼是第一个预言里德伯分子存在的人。他解释说:“费米可能从没想到这种分子能够形成。我们承认,我们在20世纪70年代和80年代进行这方面的研究的时候,发现里德伯原子和基态原子(即正常原子)之间可能存在力场。直到现在我们才有可达到如此低温环境的系统,因此直至今天我们才能制造出这种分子。”  
 
  需要合适距离和时间  
 
  斯图加特大学的维拉·本德库赛负责领导了这项研究,她解释说,要想制作这种分子,温度必须非常低。她说:“原子里的核子必须相距一定距离,两个电子才能产生相互作用。我们利用一个超冷的铷气团进行试验,气体越冷,它里面的原子之间的距离就越近。”当温度几乎接近绝对零度,即零下273摄氏度时,两个原子之间的距离就达到大约100纳米的“临界距离”。  
 
  当其中一个原子是里德伯原子时,两个原子就会形成一个里德伯分子。与普通分子相比,100纳米的距离已经是一个很大的距离。格伦尼教授说:“里德伯电子跟牧羊犬类似,它在‘牧群’的最外围监视,如果有谁想离开群体,它就会把它重新赶回中心区。”  
 
  让这种电子离开外围,形成一个里德伯原子,需要很多能量。本德库赛解释说:“我们利用激光促使原子进入形成里德伯分子的阶段。如果我们拥有处于临界密度的气体,两个原子之间的距离又符合要求,可以形成里德伯分子,我们就会利用激光促使一个原子达到符合形成里德伯分子的状态,这样一个里德伯分子就形成了。”  
 
  这项超冷试验还是一项超速试验,因为存在时间最长的里德伯分子也只能幸存18微秒。但是能够制造出这种分子,并且人们可以看到它,这些事实充分证实了长期以来一直存在的基本原子理论。伦敦大学学院的物理化学家海伦·菲尔丁说:“这是一系列激动人心的实验。该实验显示,这种方法是切实可行的,我们非常乐意利用这种方法测验其他基础物理学。”  
 
  获得诺贝尔奖金的观点  
 
  格伦尼受到另一项获得诺贝尔奖的物理学研究项目的启发,提出现实中可以存在里德伯分子的预言。1924年,印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose)把一些有关粒子的理论计算数据寄给艾伯特·爱因斯坦,爱因斯坦根据这些数据预言说,如果一些气体的温度非常低,所有原子都能突然达到它们的“最低能量状态”,那么这种状态下的原子几乎都将被冻结,它们开始以相同方式运行,并且可以预知它们的运行方式。  
 
  从某种意义上来说,这个过程跟气体突然被浓缩成液滴的过程类似。当科学家通过降温和诱捕碱性原子的方式达到玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)目标时,格伦尼意识到他们可以利用超冷物理学合成在任何其他环境下都无法存在的里德伯分子。 
(来源:《科学时报》)
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