新疆域 FRONTIERS [美]艾萨克·阿西莫夫 著 上海科技教育出版社 1999.12 扫描，校对：异调 基础科学新疆域(FRONTIERS OF SCIENCE)，朱宝如 译 打断化学键 假如你把一根大头针戳进气球．要过多久气球才会爆裂呢？不需 要很久，而且这个时间可以利用高速摄像来测定。不管怎样，橡胶在 压力之下裂开，总是要耗费“一点儿”时间的。 然而，假定你取一个分子。它只有十亿分之四英寸大，对它完成 相当于把一根针戳进气球的动作，那么这个分子要隔多久才会断裂呢？ 这个时间要比气球爆裂短得多，然而科学家现在照样能测定出来。 一个分子是由一团原子组成的。当这些原子互相靠得足够近，由 于它们外层区域中的微小电子相互交叠在一起，因而使这些原子粘合 在一起了。这种电子的交迭形成了一种稳定状态，倾向于保持不变。 为了保持这种状态，原子必须继续保持紧密相连。这就形成了所谓的 “化学键”。 形成一个化学键的两个原子并不是保持静止不动的。在绝对零度 以上的任何温度下，原子总是倾向于以随机的方式随意运动。不过， 当它们被化学键绑在一起后，就不能再自由运动，但可以这么说，它 们仍不断地尝试作自由运动。被化学键绑在一起的两个原子可能会作 相互分离的运动，但是化学键会把它们拉回到一起来。它们会再作分 离运动，但又被拉回，如此往复。因此，它们就在自己的位置上振动。 每一个原子就像是一个棒球比赛中的跑垒者，他先是跑出第一垒，但 总是被严阵以待的投手掷出的球拉回原处。 化学键活像一个小弹簧。原子相互分离得越远，化学键施加的拉 力就越强。然而，如果由于某种缘故，原子的分离运动超过了一个临 界值，化学键就会紧张过度，像一根弹簧那样，出现断裂。这时，分 子断裂，而原子获释。 随着温度升高，原子会逐渐远离得超过化学键的束缚。如果温度 升得足够高，分子肯定会断裂。同样，如果注入其他形式的能量，分 子也会趋于断裂。现在的问题是一旦注入足够的能量，分子断裂开的 时间有多长。 加州理工学院以艾哈迈德·泽凡尔（Ahmed Zewail）为首的一组 化学家在1987年首先回答了这一问题。他们的研究对象是碘单氰化物， 这种分子由3个原子——碘、碳与氮并排粘连而构成。如果注入足够的 能量，碘原子将分裂开，只剩下碳与氮（一个“氰基”）连在—起。 窍门在于注入能量的时间要极其短暂，短得刚好可以破坏化学键。 那么此后碘原子从氰基上裂开的时间究竟有多少长呢？ 化学家注入能量的方法是采用一种短暂的光脉冲。这种光脉冲把 一个电子从连结碘原子与氰基的化学键中敲出来，从而弱化了化学键 （就像一根大头针弱化了气球的橡皮一样），使得碘原子自由脱离 （就像气球的爆裂一样）。光脉冲的确十分短暂：只有一百万亿分之 六秒。它闪烁一下就没有了。因而化学家便可等着观察受损了的化学 键断裂。 那么，他们是如何描述化学键断裂期间发生的情况呢？ 恰好单独存在的氰基会吸收一种特殊类型的光线而发出另一类型 的光线。这种过程被称为“荧光”，可以很容易地探测到。未受损的 碘单氰化物不能发出荧光，因而荧光的出现就表明化学键已经断裂， 而氰基已经形成。 因而，研究人员必须先向碘单氰化物发出一束激光短脉冲，然后 立即再发出第二个脉冲，等着观察是否有荧光出现。如此重复这一过 程，使得第二个脉冲发出的时间与第一个脉冲之间的间隔越来越短。 最后，第二个脉冲与第一个脉冲跟得如此之紧，以至于没有荧光出现 了。这就表明化学键还来不及断裂。 就这样，研究人员发现，一个化学键从受损到断裂所需的时间是 2.05×10^-17秒。要使化学键断裂，碘原子必须离开氰基1.2×10^-16 英寸。是否还有其他方法可以观测一个化学键断裂这一极其短暂的时 间过程呢？好罢，那就让我们试一试。 光线以每秒186262英里的速度运动，这是我们宇宙中能够达到的 最快速度。这是如此之快，以至于一束光线用七分之—秒便能绕地球 一周，从地球到月球也只需1.25秒，从地球到更远的太阳也不过8分钟。 那么在2.05×10^-17秒内，光线走了多远呢？答案是四百分之一 英寸。换句话说，一束极快的激光脉冲打在分子上，在化学键断裂以 前，它只能离开四百分之一英寸。