讓原子跟“幽靈”成化學鍵

宋玉玲

“幽靈化學鍵”的電腦模型

綠球代表里德伯原子的原子核。藍球代表最外層電子，現在它定向于附近某個空無一物的空間，成一個三葉蟲鍵，好像那里存在一個真實的原子似的。

我們在中學都學過化學鍵，即兩個原子通過分享最外層電子，從而彼此綁在一起，形成穩定的分子。

俗話說“一個巴掌拍不響”。要形成化學鍵，至少也要有兩個原子吧。但最近，科學家通過計算機模擬顯示，也可以讓氫原子跟一個實際上并不存在的原子（或者不如說一塊空無一物的虛空），形成一個化學鍵。你說怪不怪？腦洞要大開了吧？

在介紹這件有趣的事兒之前，先回答此刻必定已縈繞在你腦子里的一個問題：既然另一個原子壓根兒不存在，憑什么認為那是一個化學鍵呢？因為正如另一句俗話說的“敬神如神在”，氫原子的行為就好像那個原子真實存在著似的。

好了，接下去讓我們細細道來。

奇特的“三葉蟲分子”

就像我們的太陽系中行星繞著太陽轉一樣，原子中的電子也要繞著原子核轉。電子的軌道距離原子核越遠，能量越高。與行星的情況不同的是，電子可以在這些軌道上跳來跳去。比如，給低軌道的電子一個適當的能量，它就會跳到高軌道去，從而遠離原子核。我們稱能量最低的軌道為“基態”;稱能量比基態高的軌道為“激發態”。電子從低能態跳到高能態，稱為“激發”。

物理學上，把核外有一個電子已被激發到很高能量軌道的原子，稱作“里德伯原子”。任何原子都可以成為里德伯原子。只要用激光照射原子，讓其中一個電子激發，遠遠離開原子核，但又沒有完全掙脫原子核的束縛就可以。要是掙脫了呢，就叫“電離”。里德伯原子就是接近電離狀態的原子。

一般在化學反應中，成鍵的都是處于基態的原子。我們前面講的是電子的“基態”，那么原子的“基態”又是什么意思呢？我們知道，一般的原子，原子核外電子數不止一個，但是根據你們在中學學過的“泡利不相容原理”，一個軌道最多只能填充2個電子，所以這些電子不可能全填充在最低能量的軌道上。所謂基態的原子，就是說，這些電子老老實實按能量從低到高的軌道填充，從而讓整個原子能量最低。就好比貨架，底下的格子填滿了再填上面的格子，這樣整個架子的勢能最低。

但是，處于激發態的原子（核外至少有一個電子不老實，已跳到能量更高的軌道去了），也可以跟別的原子成化學鍵。比如，里德伯原子可以把那個激發的電子（此時它處于最外層）拿出來與附近另一個處于基態的原子共享，形成一個化學鍵，從而形成一個分子。

這樣由一個普通原子和一個里德伯原子形成的分子，形狀看起來像一只三葉蟲，所以被稱為“三葉蟲分子”，而稱其化學鍵為“三葉蟲鍵”。化學上，化學鍵的長度是形成分子的兩個原子之間的距離（即兩個原子核之間的距離）。你想，在“三葉蟲分子”中，兩個原子離得那么遠，“三葉蟲鍵”自然就很長，一般要比普通化學鍵長得多，屬于超大號的化學鍵，某些情況下達到普通化學鍵的1000多倍。

這類“三葉蟲分子”是在2000年由理論預言的，15年后在實驗室得到證實。通過這種辦法，化學家現在可以制造出許多打破常規的分子。比如由兩個銫原子組成的分子，其中一個是普通銫原子，另一個銫原子則是里德伯原子。

與“幽靈”也能成化學鍵

三葉蟲鍵雖然奇特，但成鍵的畢竟還是兩個原子，這一點并沒有違反常識。現在，科學家又預言了一件更令人匪夷所思的事情：完全可以撇開另一個原子，只要有一個里德伯原子，就能形成三葉蟲鍵。我們所需要做的，只是對里德伯原子施點小伎倆。

在理論模擬實驗中，科學家采用的“小伎倆”是一系列精心設計的電脈沖和磁脈沖。把它們施加到里德伯氫原子上。在每個電脈沖期間，里德伯氫原子的最外層電子軌道被拉伸;而在每個磁脈沖期間，電子軌道又被稍微扭曲……這樣一步步，一點點，通過電場和磁場來調整電子的軌道，竟然真的塑造出一個三葉蟲鍵來：氫原子的電子定向于附近某個空間，好像那里存在一個與之成鍵的原子似的。這種“幽靈”般的三葉蟲鍵在低溫下足足保持了200微秒。

需要說明一下，這里的“定向”是指電子出現在某個方向的概率要比其他地方大得多的意思，并不是說固定于一個方向。其實，普通的化學鍵也是這個意思，不是說電子固定于成化學鍵的地方，只是說它出現在成鍵位置的概率比別處要高得多。

當然，這一切目前都還只停留在理論模擬上。接下來是盡快到實驗中證實。如果證實了，還要看看這種幽靈化學鍵對化學反應有何影響。不過，那是另一個故事了。