化学反应的物理现象

今年（1986年）诺贝尔化学奖已被三位研究化学反应基础的物理学先驱者所获得。这一工作的极有价值而又奇特的副产品是化学激光器它有利于高能激光武器的发展。这项奖金由哈佛大学的达德里 · 赫希巴赫、贝克利加利福尼亚大学的李远哲和加拿大多伦多大学的约翰 · 波拉尼所分得。

赫希巴赫和李远哲在六十年代就完成了得以获奖的这项工作。后来李同他的同事一起来到哈佛大学，他们一起开拓了一项叫做“交叉分子线束”的技术，它允许他们第一次计算化学反应中使分子结合在一起所需的能量。波拉尼的成就是红外线发光技术、这一技术使赫希巴赫和李远哲所研究的化学反应中原子内部所构成的图像的显示成了可能。

这三位获奖者的个性是丰富多彩的。赫希巴赫几乎成为一位美国足球明星，在哈佛大学的一次记者招待会上，他说他将利用他那份奖金建立一个青年文艺工作者和音乐家的活动基金。他解释此举是由于我们不幸的社会不能使文艺工作者和音乐家过富裕的生活。李远哲在他出生和长大的中国台湾省开始他的科学生涯，上星期他说由于读居里的传记而使他大为感动“这件事说明科学生活将是何等美丽？”波拉尼是一个世界主义者，他父母是匈牙利人，他出生于柏林，至于获得学位与博士衔是在他家移居到加拿大之后，他在英国曼彻斯特大学取得的。他的父亲迈克尔于1976年去世，享年84岁，与A · 爱因斯坦的观点一致，是一位著名的化学家与哲学家。

1967年，李远哲与赫希巴赫开始了他们有效的合作。赫希巴赫设计过一种分子线束碰撞的方法，用于研究碱金属的性质，但是他们二人要求扩大这一技术来计算所有的化学反应。

化学反应是分子中原子重新排列的过程，通常改变着分子所有的特性。对于理解李远哲与赫希巴赫工作至关重要的是：反应是由分子间的碰撞所致。

当在哈佛大学时李远哲设计并创制了一种叫做通用交叉分子线束分离器的机器。在极端低压时气体开辟通路形成密集的线束，致使其能在真空中以大约九十度左右的角度互相碰撞原子排成冲击进敏感检测器阵列的混合物，李的检测器有着能够掌握任何种类原子的敏感性，所以冠之以“通用”这个名词。最重要的'是瞬时中间检测结果，在一般情况下不能足够长时间地持续，因此造成检测的困难。

当该装置首次试运行时，他们研究了结合氯原子与溴原子形成氯 - 溴分子与溴原子的简单试验，他们能够计算反应物集结时所需的能量和在相互作用时原子是如何旋转与振动的。

在后来的岁月里，这种技术已被用于更复杂的棺互作用，譬如说燃料的燃烧等。由于氧和碳氢化物时结合诸如甲烷，科学家已经在燃烧中发现许多以前所未知的中间步骤。这一工作最后在内燃机和能量的产生方面有更为重大的影响。

经过芝加哥大学的七年科学生涯，1974年李远哲成为贝克利加利福尼亚大学的化学教授。他有一套能计测反应结果中每立方厘米少至十个分子的交叉分子线束装置。用于研究当分子与原子受激于光先于化学反应的情况。

还要研究的是用光来分离聚合原子的分子——来自一个分子中—个或更多个原子由于光的吸收移动而构成三个或更多的原子。

上星期，李远哲和赫希巴赫交口赞誉，李说赫是他的良师益友；赫誉李为物理化学方面的“莫札特”。

波拉尼发展了红外线化学发光技术，这种技术从一个新形成的分子中计算出弱红外线的散发。1958年他以新形成的分子的红外线辐射散发的发明导致了对化学变化的更为深刻的了解。特别是波拉尼后来为实验所证实的工作，预言了化学激光所需的条件。他的研究所产生的更为奇特的有用副产品——激光，直到最近还是高能激光武器发展的较好的形式。化学激光的操作是以化学反应的能级动力学为基础的。波拉尼的工作并不在高能化学激光本身，而是在早期的理论工作方面。有一个时期波拉尼对受激辐射微波放大器（maser）感到浓烈的兴趣，把maser的原理——1954年第一个论证的是查理士H. 汤斯一一扩大到较短的可见的红外线波长。汤斯和A. L. 肖洛曾经在论文中指出这种可能的是195 S年发表的。但当时波拉尼作出这一建议时还没公开报道激光。实际上波拉尼的谈话比T. 梅曼晚几星期，但已演示了第一台固态红宝石型激光器，那是在加利福尼亚休希斯研究实验室。

梅曼与波拉尼都经历了一段不好的命运，两人的研究报告都被《物理评论通讯》退了稿，该刊编辑S. 古德斯密特已成为耐心等待激光研究的“过早”的人。

不到1965年第一台化学激光器由J. V. V. 卡斯伯和G. 皮孟德尔在贝克利加利福尼亚大学作演示。他们的激光器用了氢和氯产生氯化氢的反应，这是波拉尼所提出的一个系统，和其他所有化学激光一样，它发射红外光线。

作为化学激光输出功率的增长一次比一次高，所以军事研究人员对燃烧化学品作为燃料的高能激光器可能饶有兴趣。某些高能化学激光器已经建成，最大的是美国新墨西哥州美国陆军沃特 · 桑茨导弹射击场的二百万瓦的MIRACL（中间红外线高能化学激光器）目前已用于战略防御计划（SDI）的高能激光器的效能试验上。无论如何，在目前最有克敌制胜可能的“星球大战”方面的激光器应是自由电子激光器，它是地对空的，而且波长比化学激光器更短。虽则五角大楼在化学激光器方面的投资已达一万亿美元，但实质上在民用方面还未有先例。

化学反应中原子与分子相遇

化学家在处理化学反应和他们对那些反应的内部动力学知识的技巧方面还存在着巨大的缺口。今年（1986年）诺贝尔化学奖奖给了三位化学家的工作。当原子与分子在化学反应的物理现象中他们已经开始紧握了短暂的瞬间。如果化学家能够在化学反应中了解到发生些什么，他们可以预言大部分化学反应的结果。化学将走出实验室而进入计算机，而且通常以实验为根据的生物科学将在分子决定论的统计学冲击之前，失去它的秘密。

仅仅少数相对深奥的反应目前已经决定于理论分析。虽然如此，化学物理学的研究，能够在它的成功中说明激光器和某些分光计之类的光谱仪的原理。

在赫希巴赫、李远哲和波拉尼之前，化学反应的研究受到了必须计算它的速率的限制。那通常是与引起某些数学幂次起作用的化学品的浓度成比例。结合这种关系，化学家能够提出一个分子的历程。但是更接近、更详细地对这过程的观察，需要参加化学反应的复杂分子构筑数学模型。诺贝尔化学奖的三位获得者仅在加强气相反应的浓度，这种气相实质上显示了例如溶液与更复杂反应的外界干扰的种类有关。

十九世纪的化学家认为，气体的原子与分子的行为同硬的、无弹性的弹子游戏的台球相似。这就使它们失去了任何内部结构——一种被本世纪现代量子力学所葬送的假说。奇怪的是少数气相反应的机理，包括原子间的碰撞，能够由弹子游戏“跳飞”的台球所精确模拟。但是其他因子必须导入，使模型甚至包括最简单的分子氢那样的模拟。这是因为分子氢包含互相旋转与振动的两个原子而成为电子激发，氢实际不能被认为是一个硬的、无弹力的、无结构的球体，它倒更像一个柔软而搏动的、旋转的哑铃。

一旦化学家实现了原子与分子的量子性，很清楚，这种两个分子的反应必须取决于它们旋转、振动和发生电子激发等等。那些内部分子参数必须被认为还有更经典的外部参数，包含在弹子游戏的台球概念内。

一个大问题是那些参数能否由实验作出决定？是否有可能见到个别分子互相反应，作为结论的答案是“对的”。

赫希巴赫与李远哲开拓了一个以“交叉分子线束”为名的技术，他俩是化学反应中第一批目击分子水平事件的人。

他们在真空中发生了两束分子线束。在该线束中分子的旋转、振动的电子能正在逐渐被认识清楚。当两束线束碰撞时，分子即向各个方向散射。检测器在各个不同角度上决定散射分子的强度。它显示散射的模式直接与动量定及其类似的标准分子参数有关。

但是内部参数涉及些什么？如果它可能区分产物内部能量与作用物之间的不同状态，那么一幅化学反应的运动学的完整图像，便可以构成了。

有关三位获奖者最后阶段的信息是波拉尼用了一种叫做“红外线发光法”的技术。如果产生的分子中的某一些分子振动能太多了，那么它们能够利用发射红外辐射而使能量松弛，波拉尼找到了一种检测这种辐射的方法，并算出了正在振动激发状态的分子的数目。这件事告诉化学家化学反应中在改变产品内部能量方面，它用去了多少能。有关这一信息，最后使化学家开始进行一种有关预言化学反应过程的“长征”性工作。在真空中要通晓能用于溶液中更复杂反应的简单气体反应之前还有一条漫长的道路。但是目前已经有了良好的开端。赫希巴赫、李远哲和波拉尼已经有助于使化学家的注意力从化学反应的宏观世界走向有趣的分子的微观世界。

[New Scientist，1986年10月23日]