通常，化学家是确实知道在一化学反应发生之前某种物料的成分的。此外，他们也知道——或者懂得如何找出——在化学反应达到他们的目的和一种产品到手之后的组成。

但是要了解反应的中间产物——即那些化学过程中的各步，那些发生在百万分之几或亿万分之几秒以内甚至更快的片段化学反应——长期以来这是化学科学的一项难以捉摸的目标。化学家无法“冻结”那些反应，比如说就像摄影师所能做到的那样，看到它们，控制它们，有选择地激活它们，或者为了分析起见而分离它们。这样一种能力确实会在分子和亚分子水平上裁剪化学反应，还会引起分析技术的革命· 能够几乎是逐个地鉴定单个分子。

这样一种革命已经开始，激光化学这一崭新的学科已经诞生，其意义十分重大。强相干光束可以用来激励特定化学反应的想法至少要追溯到1958年，当时Artharl. Schawow和Charles H. Townes首次提出受激辐射可以使光放大。按他们的建议（已经成了尔后所有激光发展工作的基础），当用光、其它的辐射、电或化学反应使原子（或分子）进入较高能态时，则其中部分高能原子随后就会自发地放出电磁辐射（例如光子）。这些光子的存在又会刺激其它原子以光子的形式释放出它们的能量，而且还会引起一种链式反式，使原始自发辐射大大增强。

用一束这样的同相光子激励的原子往往更易与其它原子或分子相作用。用一个调到合适频率的激光器，应能激发某种分子内的特定运动，还可能激活某些原子或原子团，同时使其它的原子或原子团处于相对没有变化的状态。化学家们想象要像建筑师盖房子那样构造新的分子；他们要一组一组地设计并合成出只要他们能想象得出来的任何药物或产品。

然而，六十年代初期研制出来的首批激光器并不具备激光化学所必需的功率、可调谐性或可靠性。随着激光器的改进，研究者就用它们做了实验，但是所产生的产物太混杂了，以致不能使这个领域充满希望。六十年代后期，物理学家和工程师们成功地制造出功率大、可调谐而且可靠性高的激光器，但他们缺乏化学知识或者对化学兴趣很小。但是，在物理学家和化学家之间也有共同的研究课题；双方都对光谱学感兴趣，都用激光进行他们的工作，而且双方的这种兴趣又把他们引向激光诱导化学的研究。

激光分析

化学家对激光的兴趣很快地扩展到把激光用作一种分析的工具。他们发现，激光器与各种光学、声学和电子仪器结合使用就产生出极为灵敏的分析技术。这些技术使一些重要分子的检测极限降低了若干个数量级。例如，对在燃烧中是很重要的羟基，用激光技术能够检测到的极限要比常规方法灵敏3万倍。“人们能够在一含有3×10¹⁹个分子的气体中检测出至少100万个分子。”衣阿华大学的william C. Stwalley曾这样说过。当我们把这个数目换算成重量时，它意味着能检测到总量为10^-18克的物质。也能用激光来检测液体中的物类，其检测极限要比常规方法低1000倍。

最灵敏的化学分析方法是激光诱发荧光技术。激光器以特定频率的可见光或紫外光脉冲束辐照样品，选定的频率要使某种分子（或原子）激发并使之进入更高的能态。这种受激分子通过发射一个能量等于受激态与基态之差的光子而快速地回到基态。对于那些发荧光的分子来讲，发射光的频率就成为一种可以鉴定该化合物的特殊信号。为了探究某一特定分子，人们必须备有一台能调到某一精确频率上的激光器，这一频率是产生希望的那种荧光所需要的。能在某频谱范围内调谐的激光器可以用于多种化合物。

在利用这种技术的一个早期实验中，Richard N. Zare及其哥伦比亚大学的同事是用气体做实验的。该实验有两个分子束，它们在一抽空的容器里发生碰撞并起反应。在这个碰撞区里只有少数分子起反应，而送进此区的脉冲激光束激发这些反应产物并使它们发出荧光。扎里说：“为了获得鉴定所需要的光谱，对我们来说，最重要的就是单一反应性相遇。”“分子光谱与激光束的这种密切结合是令人满意的；我们可以检测到少至105个的次级粒子（分子）。”

最近，Zare和他的同事们证实了激光诱发荧光的一项实际应用，他们检测了700毫微微克（700×10^-15克）的一种毒素，它是在美国农业部送到他们那儿的发霉谷物中发现的。

农业问题牵涉到称之为黄曲霉素毒素的霉菌代谢物，它们产生于花生、如像玉米一类谷物以及棉籽中。因为它们看来是肝癌的最强致癌物质，所以它们的存在是一个很严重的问题。美国的法律要求拒绝装运含有这种致癌物质的谷物，而不论其含量是多少：现今拒绝装运这类谷物的依据是常规的（百万分之几）分析技术。然而，由于大量好谷物的稀释，常能使对不合标准谷物的检测归于失败。Zare报告说：“我们接收过美国农业部的谷物样品，我们能够检测其中存在的低至700毫微微克数量的黄曲霉素。”但是，人们极为关心的是，由于分析这些毒素的进展，是否有可能发现所有的谷物都被污染了

振动和转动

不是所有的分子都发荧光，但激光分析技术也并非只限于这种方法。荧光利用的是电子能级的变化。除此之外，我们也可利用一个原子相对于分子内另一个原子的振动以及该分子的整体转动。特定频率的激光脉冲能够把一个分子激发到按某种规定的方式进行振动或转动。当这样做了之后，该分子在回复到基态时将放出能量，而释放能量的模式能揭示该分子的特性和其它的信息。

例如，二氧化碳分子有这样一种振动模式，碳原子保持不动，而两个氧原子却向里和向外脉动。这种模式或任何其它模式的激光激发都是靠使输入波长与受激和未受激振必威在线网站首页网址 间的能量差相匹配的方法来完成的。称之为喇曼光谱术的技术靠振动光谱来标识分子。这种技术的灵敏度约为10¹⁵分子/厘米³。换句话说，你可以在一对骰子大小的体积里检2×10¹⁵个氧分子。这个量是很少的；6×10²³个氧分子（是这个量的30亿倍）也只有32克重。

及时的反应

用于这些分析程序中的脉冲激光器按常规在微秒和毫微秒时标上运转。但是，对了解化学所必需的许多过程进行得还要快得多，例如，分子和原子在反应期间的运动就是这样。原子在大约10^-12秒内移动一个键长度（约为一个分子内原子间的距离，即10^-8厘米）的相当大一部分。既然组成我们称之为化学的能量传递和反应都在这一（微微秒）时标上发生，所以对化学家来讲那是基本的兴趣之一。

微微秒激光器早在七十年代初期就已成为现实。在这样一种短脉冲的情况下，我们就有可能得到特别强的功率。功率高达十亿瓦或者更高的一代微微秒激光器足可以产生热核反应。（的确，科学家们已经用它们来触发热核反应并且正在寻找利用这种能量的途径。）化学家用这些装置来测定受激分子是如何弯曲和扭曲的，它们又是如何放出它们的能量的，或它们在反应中如何利用这种能量的。用这种方法，他们探测了化学键的断裂，还发现了某一反应在继续进行时所生成的短寿命的中间产物。

哥伦比亚大学的Kenneth B. Eisenthal指出：“大多数化学过程都是先混合物质，然后进行加热。”“用激光激活，我们能够得到指定受激态——电子态或者振必威在线网站首页网址 ——的分子。微微秒光谱能揭示它们在这种状态下可存在多长时间，还能对继续出现的化学过程得到更好的了解。”作为另一个例子，分子间的能量传递是距离的函数。化学家已经用微微秒脉冲激励一种类型的分子并且测量了能量传递给一种不同类型分子的效率。Eisenthal说：“从这个数据我们就有可能确定分子间的距离；例如，这种方法经被用来帮助映出些存在于生物体系中的分子图像。”

一条双道马路

激光对化学的贡献并不是一条单道马路。增加激光诱导反应的种类和产额需要有更强有力的在新波长区工作的激光器。化学家并没有把研制这种激光器的工作单留给物理学家和工程师。1974年堪萨斯州立大学的 ~ 位化学家Donald Wayne Setser发现了一种奇特的反应，结果创造出一种具有巨大潜力的新型装置。

我们知道，稀有气体（氦、氖、氩、氪和氙）没有反应性，但当它们被激发到高能电子态时却变得很活泼。例如，氪在其基态时只生成很少的稳定化合物。但在用放电法使之激发之后，在化学性质上它变得与钠相似，而且像碱金属一样，反应性特别强。在这样一种受激状态下，它很容易与氟反应生成一种受激的却又是强有力键合的KrF（氟化氪）分子。这种受激的KrF分子能自发地放出一个光子并使两种原子分离开来。因为氪是惰性的，所以KrF分子是不能存在于未受激态的；于是，氪和氟的原子迅速地彼此排斥。由于不存在原子的吸收作用，这些光子就逸出来而产生放射激光反应。在发现这些反应以后六个月，也就是在W75年，第一台KrF激光器就被制造出来了。

通称为准分子激光器的KrF、XeF（氟化氙）和ArF（氟化氩）激光器已经可以在市场上买到。它们开拓了新的紫外波长区，具有强大的功率和某些可调谐特性。由于紫外光就是在常规的光化学中也是很重要的，所以斯特沃利（Stwalley）说，准分子激光器将有可能作为激光化学的光源而找到广泛的应用。他指出，KrF的波长为2485埃，接近于2537埃的常规汞光致分解线，但这种激光器比汞灯要亮许多个数量级（汞灯用于制造尼龙和维生素D的光化学过程）。

巨大的冲击

目前，激光诱导化学最引人注目的应用涉及到进行同位素分离的努力。花在这个方面的政府和私人资金的水平——约4000万美元——使激光化学的其它部分相形见绌。主要的目标是发展可供实用的铀-235同位素分离方法。常规的气体扩散分离所耗用的能量多达理论所需值的一千万倍以上。如果给现今已设计或正在建造中的反应堆供给铀燃料所需要的浓缩设施都要依靠这种常规技术，则需要巨额的资金和能量的投资。而以激光诱导分离铀-235和铀-238为基础的浓缩过程却可望大大降低能量的消耗。

在美国政府和私人实验室里正在发展两种主要的光化学分离方法。分子法的基础是铀-235与氟化合，然后以激光为基础的二步法选择性地激发U²³⁵F₆分子。要选择性地激发六氟化铀分子，就必须有一台在波长16微米处工作的激光器；而第二台是可见或紫外激光器，例如KrF激光器，由它完成分离工作。另一种方法涉及到u²³⁵原子而不是uF₆分子的两步电离。与上法相同，这种方法也要用两台激光器：第一台激光器选择性地激发u²³⁵原子；而第二台激光器只引起受激原子电离。

用吸收多个红外光子的方法也能分离同位素。人们普遍认为，1974年末首先验证这种技术的苏联科学家现在正在尝试利用这个过程来生产浓缩铀。

尽管铀同位素分离在军事上和商业上均有价值，扎里还是把它看作只是激光化学冰山的尖顶而已。他说：“准分子激光器正在变革着光化学，而多光子吸收将会创立一门独特的化学。用这些方法分离出来的其它同位素也许是极为有用的，因为它们可以用作农业、医学和研究中的示踪剂，从长远的观点来看它们对社会的价值甚至比铀还要大。”他认为，有了这些新的激光技术，化学家应能了解并控制某一化学过程中的每一步。这将使他们能够消除那些不希望有的中间产物或最后产物，或者将它们变为有用的物质。另一些专家认为，用激光诱导化学法能够创造出全新的材料，合成新药，破坏有害的基因，甚至产生有益的变异。

没有不要钱的午餐

但是，限制激光化学和激光分析的重要因素就是费用问题。现有技术水平的激光器常常要值4万美元或更高。超高功率的激光器已经成为价值高达数百万美元以上的装置。这种情况也反映在光子的价格上，光子是激光诱导化学的“试剂”。一克分子（6×10²³个）二氧化碳激光器产生的红外光子，估计成本费为5美分。等量的氩离子激光器产生的可见光子要值几美元。

而大多数散装工业化学药品1克分子的价值在5~25美分之间，精细的化学药品，例如生物的和药物的化合物，每磅值5美元以上，即对平均分子量而言，每克分子值1.25美元左右。阿来德化工公司激光化学计划负责人说：“对二氧化碳红外光子来讲，其商业潜力似乎就在于此。巨大的潜力就在于合成精细的化学药品。”

总而言之，激光正开始对我们了解化学过程和现象产生惊人的影响。到这种新的认识和这些强有力的技术成为可供使用之日，产生首批重大的研究进展，然后随着激光利用率等经济性能为它们取得地位之后，产生新的产品和意义重大的工艺过程，也许只是一个时间问题。炼金术士曾经探索过点金石；现代化学家认为他们已经找到了一种“点金术”。它不会把铅变为金，但它正把化学家引向通往他们最初和最新目标的道路——根据形成我们这个世界的那些反应的本质去认识和构造一切。

[Chmistry vol 52No2（1979）]