實現不可能的化學反應

我們都知道，化學反應發生在原子和分子這個層次。儘管如此，我們卻總是拿宏觀物質來做化學反應，從沒聽說過科學家只取幾個原子、分子來做實驗的。現在，美國哈佛大學的科學家首次實現了在原子的層次上操作化學反應，讓一個鈉原子與一個銫原子結合，合成出一種宏觀層次上不可能生成的新分子——鈉銫分子。

你之前大概從來沒聽說過這種分子，也想像不到鈉原子和銫原子還會發生化學反應，要理解這一點，我們需要從化學反應的原理談起。

為什麼鈉原子和銫原子也能化學反應？

我們從高中化學中知道，原子的最外層電子數一般情況下達到8個的時候是最穩定的，所以在化學反應時，一個原子往往要麼通過失去/得到電子，要麼通過與其他原子共享電子，來達到使自己的最外層擁有8個電子的目的。這是化學反應之所以能夠發生的基本原理。

儘管通常我們看到的情況是，只有特定元素的原子才能兩兩結合，但依照這個道理，其實除了惰性氣體元素，幾乎任何兩種元素的原子都能實現化學反應。

拿鈉原子和銫原子來說，鈉原子最外層有1個電子，銫原子最外層也只有1個電子（次外層8個電子），看似不論通過失去/得到電子，還是共享電子，都無法達到最外層擁有8個電子的目的。但其實，只要我們設法把銫原子次外層中的6個電子「激發」到最外層（這樣，銫原子最外層就有了7個電子），然後與鈉原子最外層的1個電子共享，那麼鈉原子和銫原子就能同時讓最外層電子數達到8個。換句話說，在這種情況下，鈉原子和銫原子也能發生化學反應。

原子層次上操控化學反應

你可能覺得這太不可思議了，不過這個過程一般情況下是不會發生的，需要十分苛刻的條件才能完成。

首先，需要超低溫度。溫度越低，原子運動越慢，可以讓鈉原子和銫原子有充分的時間接觸；其次，需要把銫原子次外層的6個電子激發到最外層；最後，還需要有一隻「手」來操控原子；而這一切，都離不開一樣東西——激光。

在低溫技術中，有一項叫激光冷卻。目前，人類達到的最低溫度就是通過激光冷卻達到的。其原理是，根據光的波粒二象性，光具有粒子的特性，當光照在物體上時，像皮球打在牆上一樣，會對牆產生壓力，這叫光壓。當然，光壓是非常小的，例如太陽光照在我們身上時產生的壓力我們從來感覺不到。但是高能激光（意味著光子的能量很大）照在單個的原子上，其作用就不可小覷了。所以，當一個原子在運動時，對面照來一束激光，就可以降低它的速度，達到冷卻的目的。根據這個原理，科學家還研製出「光鑷子」，利用它可以很方便地「夾」住一個原子、分子，把它牽引到任何地方。如今，「光鑷子」已經普遍應用於物理學和生物學的研究中。

至於讓原子「激發」，這也是激光的拿手好戲。適當能量的激光打到銫原子次外層電子上，電子吸收能量，可以跳到最外層。

在這個實驗中，科學家先用激光把鈉原子和銫原子冷卻到-273.123℃左右，然後用光鑷子把它們夾到同一個地方，讓它們接觸，最後用另一束激光把銫原子激發，於是反應生成了一種新的化合物——鈉銫分子（NaCs）。

這項技術可以讓我們非常精準地操控化學反應，生成許多應用廣闊的化合物。比如，這次合成的鈉銫分子就是未來量子計算機的理想存儲材料。

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