manbet手机版1999年10月12日

manbet手机版瑞典皇家科学院manbet手机版将1999年诺贝尔化学奖授予

manbet手机版教授manbet手机版艾哈迈德·h·Zewailmanbet手机版加州理工学院，帕萨迪纳，美国

manbet手机版获奖理由:证明了用快速激光技术可以看到分子中的原子在化学反应中是如何运动的。

manbet手机版学院的引用:
manbet手机版他利用飞秒光谱学研究化学反应的过渡态。

manbet手机版今年的化学奖得主因其对基本化学反应的开创性研究而获奖，他利用超短激光闪光，在反应实际发生的时间尺度上进行了研究。manbet手机版Zewail教授的贡献给化学和相关科学带来了一场革命，因为这种类型的研究使我们能够理解和预测重要的反应。

manbet手机版飞化学的发展得到了回报

manbet手机版电视上的足球比赛如果没有“慢镜头”来显示进球时球员和球的动作，还会是什么样子?manbet手机版化学反应也是类似的情况。manbet手机版化学家们急切地想要最详细地跟踪化学反应，这促使技术越来越先进。manbet手机版今年的化学奖得主，manbet手机版艾哈迈德·h·Zewailmanbet手机版他研究了反应过程中原子和分子的“慢动作”，观察了化学键断裂、新化学键生成时的实际情况。

manbet手机版Zewail的技术使用了世界上最快的相机。manbet手机版这种方法使用的激光闪光持续时间非常短，以至于我们可以精确到反应实际发生的时间尺度——飞秒(fs)。manbet手机版1飞秒等于10^{manbet手机版- - - - - -manbet手机版15}manbet手机版秒，也就是0.000000000000001秒，相当于1秒相当于3200万年。manbet手机版这一物理化学领域已被命名manbet手机版femtochemistry。

manbet手机版飞化学使我们能够理解为什么某些化学反应会发生，而另一些则不会。manbet手机版我们还可以解释为什么反应的速度和产率取决于温度。manbet手机版世界各地的科学家都在用飞秒光谱研究气体、流体和固体、表面和聚合物的过程。manbet手机版应用范围从催化剂如何发挥作用，分子电子元件必须如何设计，到生命过程中最微妙的机制，以及未来的药物应该如何生产。

manbet手机版化学反应有多快?
manbet手机版我们都知道，化学反应可以以非常不同的速度发生——就像生锈的钉子和爆炸的炸药一样!manbet手机版大多数反应的共同点是，它们的速度随着温度的升高而增加，也就是说，当分子运动变得更剧烈时。

manbet手机版因此，研究人员长期以来认为，如果分子要发生反应，首先需要被激活，“踢”过障碍。manbet手机版当两个分子碰撞时，通常什么也不会发生，它们只是弹开。manbet手机版但当温度足够高时，这种碰撞会非常剧烈，它们会相互反应，形成新的分子。manbet手机版一旦一个分子受到足够强的“温度刺激”，它的反应就会异常迅速，化学键就会断裂，新的化学键就会形成。manbet手机版这也适用于反应缓慢的情况(如生锈的钉子)。manbet手机版不同的是，慢反应比快反应更少发生“温度冲击”。

manbet手机版这个障碍是由分子中原子(化学键)结合在一起的力决定的，大致类似于从地球发射的月球火箭在被月球力场捕获之前必须克服的引力障碍。manbet手机版但是直到最近，人们对分子越过势垒的路径以及当它正好处于顶部时的分子到底是什么样子，也就是它的“过渡态”还知之甚少。

manbet手机版百年研究
manbet手机版斯万特·阿伦尼乌斯(1903年诺贝尔化学奖得主)受到范霍夫(1901年第一个诺贝尔化学奖得主)的启发，在一百多年前提出了一个反应速度随温度变化的简单公式。manbet手机版但这涉及到许多分子同时(宏观系统)和相对较长的时间。manbet手机版直到20世纪30年代，H. Eyring和M. Polanyi才建立了一个基于个体分子微观系统反应的理论。manbet手机版理论上的假设是，在适用于分子振动的时间尺度上，过渡态的跨越非常迅速。manbet手机版在如此短的时间内进行实验是任何人都无法想象的。

manbet手机版但这正是Zewail想要做的。manbet手机版在20世纪80年代末，他进行了一系列的实验，这导致了研究领域的诞生manbet手机版femtochemistry。manbet手机版这涉及到使用高速摄像机拍摄分子在化学反应的实际过程中，并试图捕捉它们在过渡状态下的图片。manbet手机版这款相机是基于新的激光技术，其闪光时间约为几十飞秒。manbet手机版分子中的原子进行一次振动所需要的时间通常为10-100 fs。manbet手机版化学反应应该发生在分子中原子振荡的同一时间尺度上，这就好比两个空中飞人在同一时间尺度上相互“反应”，就像他们的空中飞人在同一时间尺度上来回摆动一样。

manbet手机版随着时间分辨率的不断提高，化学家们看到了什么?manbet手机版第一个成功是发现了从原始物质到最终产物过程中形成的物质，这些物质被称为manbet手机版中间体manbet手机版．manbet手机版一开始这些是相对稳定的分子或分子片段。manbet手机版时间分辨率的每一次提高都会导致反应链中出现新的环节，以寿命越来越短的中间产物的形式出现，从而解决了理解反应机理的难题。

manbet手机版泽维尔将因此获得诺贝尔奖，这意味着我们已经走到了路的尽头:没有任何化学反应比这发生得更快。狗万世界杯manbet手机版有了飞秒光谱学，我们可以第一次以“慢动作”的方式观察到反应垒被跨越时发生了什么，因此也理解了阿伦尼乌斯的温度依赖性公式和范霍夫获得诺贝尔奖的公式的机制背景。

manbet手机版Femtochemistry在实践中
manbet手机版在飞秒光谱学中，原始物质在真空室中以分子束的形式混合。manbet手机版然后超快激光注入两个脉冲:第一个是强大的manbet手机版泵脉冲manbet手机版它撞击分子，使其激发到一个更高的能态，然后是一个更弱的能态manbet手机版探测脉冲manbet手机版选择一个波长来检测原始分子或它的改变形式。manbet手机版泵脉冲是反应的启动信号，而探针脉冲则检查发生了什么。manbet手机版通过改变两个脉冲之间的时间间隔，就可以看到原始分子转化的速度有多快。manbet手机版分子在被激发时的新形态——可能经历一个或多个跃迁态——具有可以充当指纹的光谱。manbet手机版脉冲之间的时间间隔可以简单地通过使探头脉冲绕路通过镜子来改变。manbet手机版绕路不长:光在100英尺内覆盖了0.03毫米的距离!

manbet手机版为了更好地理解发生了什么，然后将指纹和时间流逝与基于量子化学计算结果(1998年诺贝尔化学奖)的分子在不同状态下的光谱和能量的理论模拟进行比较。

manbet手机版第一个实验
manbet手机版在Zewail的第一个实验中，他研究了碘氰化物的分解:
manbet手机版Icn - > i + cn。manbet手机版他的团队能够准确地观察到I-C键即将断裂时的过渡状态:整个反应在200飞秒内发生。

manbet手机版Zewail在另一个重要的实验中研究了碘化钠(NaI)的解离:NaI - > Na + i^{manbet手机版+}manbet手机版我^{manbet手机版- - - - - -}manbet手机版其原子核(图1)与活化形式[NaI]*之间的平衡距离为2.8 Å，然后形成共价键。manbet手机版然而，当分子振动时，它的性质会改变;manbet手机版当原子核在它们的外部转折点(距离10-15 Å)时，电子结构是离子结构，而在较短的距离上是共价结构。manbet手机版在振动周期的某一点，即原子核相距6.9 Å时，分子极有可能回到基态或衰变为钠原子和碘原子。

manbet手机版图1所示。 manbet手机版显示NaI基态和激发态的势能曲线。manbet手机版上面的曲线显示了NaI激发时分子的振动。manbet手机版当钠核与碘核之间的距离较短时，共价键占主导地位，而当距离较长时，离子键占主导地位。manbet手机版这种振动可以与大理石在盘子里来回滚动的振动相比较。manbet手机版当经过6.9 Å点时，弹珠有机会滚到较低的曲线。manbet手机版在那里，它可能最终落在左边的坑里(回到基态)或飞到右边(分别衰变为钠原子和碘原子)。

manbet手机版Zewail还研究了氢和二氧化碳之间的反应:
manbet手机版H +有限公司_{manbet手机版2}manbet手机版- > CO + OH在大气和燃烧中发生的反应。manbet手机版他表明，该反应跨越了一个相对较长的HOCO状态(1 000 fs)。

manbet手机版许多化学家一直在思考的一个问题是:为什么某些化学键比其他化学键更具活性?如果一个分子中有两个相等的化学键会发生什么?它们是同时断裂还是一次断裂?manbet手机版为了回答这类问题，Zewail和他的同事研究了四氟二碘乙烷(C_{manbet手机版2}manbet手机版我_{manbet手机版2}manbet手机版F_{manbet手机版4}manbet手机版合成四氟乙烯(C_{manbet手机版2}manbet手机版F_{manbet手机版4}manbet手机版)和两个碘原子(I):

manbet手机版他们发现，尽管两个C-I键在原来的分子中是相等的，但它们一次断裂一个。

manbet手机版当研究结果出乎意料时，研究就变得格外有趣。manbet手机版Zewail研究的是苯之间的简单反应，苯是一个由六个碳原子组成的环_{manbet手机版6}manbet手机版H_{manbet手机版6}manbet手机版和碘(I_{manbet手机版2}manbet手机版)，一种由两个碘原子组成的分子。manbet手机版当两个分子足够靠近时，它们就形成了一个复合物。manbet手机版激光闪光使一个电子从苯分子发射到碘分子中。manbet手机版然后它变成负电荷，而苯分子变成正电荷。manbet手机版负电荷和正电荷使苯和最近的碘原子迅速地相互吸引。manbet手机版当其中一个碘原子被吸向苯时，两个碘原子之间的键就会被拉伸，而另一个原子就会挣脱并飞走。manbet手机版所有这些都发生在750英尺内。manbet手机版然而，Zewail发现这并不是碘原子形成的唯一方式:有时电子会落回苯上。manbet手机版但对于碘原子来说已经太迟了:就像拉伸的橡皮筋断裂一样，两个原子之间的化学键断裂，它们飞开了。

manbet手机版研究爆炸
manbet手机版在有机化学中，一个被广泛研究的模型反应是环丁烷开环生成乙烯或相反的反应，即两个乙烯分子结合生成环丁烷。manbet手机版因此，反应可以直接通过一个带有简单激活势垒的过渡态，如图2左侧示意图所示。manbet手机版或者，它可以通过两段反应机制进行(右)，这样第一个键断开，四甲基作为中间体形成。manbet手机版在越过另一个活化障碍后，四亚甲基依次转化为最终产物。manbet手机版Zewail和他的同事用飞秒光谱学证明，中间产物实际上已经形成，并且具有700 fs的寿命。

manbet手机版图2。 manbet手机版从环丁烷分子到两个乙烯分子的反应是如何进行的?manbet手机版左图显示了两个键同时被拉伸和断裂时的态能如何变化。manbet手机版右边的图显示了一次断开一个键的情况。

manbet手机版飞秒技术研究的另一种反应类型是光诱导分子从一种结构转变为另一种结构，manbet手机版photoisomerisationmanbet手机版．manbet手机版的转换manbet手机版对称二苯代乙烯manbet手机版分子，包含两个苯环，在manbet手机版独联体manbet手机版- - -manbet手机版反式manbet手机版-形式是Zewail和他的同事观察到的。

manbet手机版他们得出的结论是，在这个过程中，两个苯环是同步转动的。manbet手机版最近也观察到类似的行为manbet手机版视网膜manbet手机版分子，它是视紫红质的颜色物质，视紫红质是眼睛杆状细胞中的色素。manbet手机版当我们感知光时，主要的光化学步骤是视网膜中双键周围的顺-反式转换。manbet手机版利用飞秒光谱学，其他研究人员发现这个过程需要200 fs，并且在反应的产物中保留了一定量的振动。manbet手机版反应的速度表明，来自被吸收光子的能量不会首先重新分配，而是直接定位到相关的双键上。manbet手机版这就解释了高效率(70%)和眼睛良好的夜视能力。manbet手机版另一个重要的生物例子，飞化学解释了有效的能量转换是叶绿素分子，叶绿素分子在光合作用中捕获光。

manbet手机版在Zewail的工作之后，飞秒研究在世界各地得到了广泛的应用，不仅使用分子束，还使用表面过程(例如了解和改进催化剂)、液体和溶剂(了解溶液中物质的溶解和反应机制)和聚合物(例如开发用于电子产品的新材料)。manbet手机版另一个重要的研究领域是生物系统的研究。manbet手机版化学反应机理的知识对我们控制反应的能力也很重要。manbet手机版一个理想的化学反应往往伴随着一系列不需要的竞争性反应，导致产物的混合，因此需要分离和清洗。manbet手机版如果可以通过在选定的键中启动反应来控制反应，这就可以避免。

manbet手机版飞化学从根本上改变了我们对化学反应的看法。manbet手机版从“激活”和“过渡状态”等相对模糊的隐喻描述的现象中，我们现在可以看到单个原子的运动，就像我们想象的那样。manbet手机版他们不再是隐形的。manbet手机版这就是今年诺贝尔奖得主发起的飞化学研究取得爆炸性发展的原因。manbet手机版有了世界上最快的相机，只有想象力才能为解决新问题设定界限。

manbet手机版Ahmed Zewailmanbet手机版1946年出生于埃及，并在那里长大并就读于亚历山大大学。manbet手机版在美国继续学习之后，他于1974年在宾夕法尼亚大学获得博士学位。manbet手机版在加州大学伯克利分校工作两年后，他受雇于加州理工学院，自1990年起担任化学物理学莱纳斯·鲍林主席。manbet手机版Zewail是埃及和美国公民。

manbet手机版教授manbet手机版艾哈迈德·h·Zewail
manbet手机版加州理工学院
manbet手机版亚瑟·阿莫斯·诺伊斯化学物理实验室
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