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飞秒化学—— 1999 年诺贝尔化学奖黄坤林(东北师范大学附属中学长春 130021 ) 摘要本文从飞秒激光、 1999 年诺贝尔化学奖等方面介绍了飞秒化学的产生、发展过程。关键词飞秒激光飞秒化学 1999 年诺贝尔化学奖飞秒化学( Femtochemistry )[1] ,一个使化学人感到迷茫、神奇、兴奋不已的陌生英文单词、专业术语、新学科领域。 1999 年自然科学的桂冠诺贝尔化学奖授给了埃及出生的科学家艾哈迈德· 译韦尔( Ahmed ) ,以表彰他应用超短激光(飞秒激光)闪光成相技术观测到分子中的原子在化学反应中如何运动,从而有助于人们理解和预期重要的化学反应,为整个化学及其相关科学带来了一场革命。 1飞秒化学的技术基础——飞秒激光简介激光曾被视为神秘之光,并已被人类广泛使用。近年来,科学家研究发现了一种更为奇特的光——飞秒激光(飞秒 femtosecond ,简写 fs) ,亦称超短激光。飞秒激光主要的特点有: 第一,飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,持续时间非常短,只有几个飞秒, 1 femtosecond=1 ×10-15s ,它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍,是人类目前在实验条件下所能获得最短脉冲的技术手段。第二,飞秒激光具有非常高的瞬时功率,可达到百万亿瓦,比目前全世界发电总功率还要多出百倍,科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。第三,它能聚集到比头发的直径还要小的空间区域,使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。高功率飞秒激光系统由 4部分组成:振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内, 利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起,恢复到飞秒宽度,从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现,飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。 2飞秒化学的发展与应用研究泽韦尔小组是在实际的化学反应过程中,用高速照相机尽可能地给正好处于反应过渡态的分子摄像,所用的照相速度是达到几十飞秒的闪光新技术——飞秒激光,其快的程度就像以铁钉生锈为基准的炸药爆炸速度。一般来说,反应分子中的原子完成一次振动的时间间隔为10至100fs 。化学反应就在这样的时间分辨、像荡秋千一样的过渡态平衡中发生了。首次成功是发现了从反应物到生成物过程中中间体( Intermediates )的存在。为了理解反应过程中机理,从相对稳定的分子或分子碎片(中间体)开始,不断缩短脉冲照相的时间间隔,捕捉过渡态中的分子或分子碎片,使反应连续起来。第一次实验是分解 ICN →,整个反应在 200fs 内完成,在I-C键即将断裂的时候, 泽韦尔小组能够准确地观察到过渡态。另一个重要实验是 Nal →Na十I 。在一个真空室中,原始分子以分子束( beams of molecules )的混合形式存在,用强的激活脉冲(Powerful PumP Pulse )使平均核间距为 ??的基态离子对 Na+I -处于呈现共价键特征的激化状态[ Nal ]* (其性质随分子的振动而变化) ,再用较