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傅蕴德
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创建时间: 2008-12-24
最后更新时间: 2015-08-25
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日  志

飞秒化学

作者:   分类:研究经验与心得     浏览:4061次   回复:0次  
发表时间:2009-04-06 11:11:04

飞秒化学

   

19991013日深夜诺贝尔化学奖刚公布,复旦大学化学系陆靖副教授15日《谱学导论》课上讲‘瞬态光谱’一节时,结合课程用多媒体介绍了艾哈迈德.泽维尔Ahmed H.Zewail博士的工作和主要成就。

 



   
艾哈迈德.泽维尔Ahmed H.Zewail博士1946年出生于埃及,1967毕业于埃及亚历山大大学并获学士学位,1969年在该校获得硕士学位,同年赴美国宾夕法尼亚大学化学系攻读博士学位,1974年获博士学位。现为加州理工学院化学物理系和物理系教授。泽维尔博士首先采用超短脉冲激光以飞秒的时间尺度实时观察分子运动并目击分子的诞生,给化学和相关学科带来了革命性的变化。1999年艾哈迈德.泽维尔博士被授予诺贝尔化学奖,以表彰他在飞秒化学领域的杰出贡献。泽维尔博士目前的研究领域主要有:超快激光和电子散射技术,飞秒化学,反应控制和多脉冲相位相干光谱,生物系统、DNA和蛋白质动力学等。艾哈迈德.泽维尔教授20046-7月在北京大学、复旦大学分别做了题为瞬间的奇迹和奥秘(Mysteries & Miracles of Time“21世纪的科学与技术——我的诺贝尔成长之路的学术报告。 

化学反应究竟是怎样发生的,这是几百年来化学家们一直在孜孜不倦探索的课题。要想准确地回答这个问题,最直接的办法就是对分子的碰撞过程实行实时追踪和观测。自从泽维尔1987年实现第一个真正意义上的飞秒化学实验以来的短短二十年中,飞秒化学已经为人们提供了丰富的基元反应信息,大大加深了人们对于化学反应进程的了解程度,从而成为近期极其活跃的一个新开拓的研究领域。

 

在环丁烷裂解为两个乙烯分子的实验中,他第一次测得了光解反应的过渡态寿命为700飞秒。这是人类第一次直接从实验上观察到过渡态的变化过程。在另一个重要实验,NaI Na+I的光解反应中,他第一次观察到了反应的过渡态在势能面上的震荡和解离过程。在1996年,美国物理化学杂志创刊100周年纪念特刊的40多篇文章中,泽维尔教授关于飞秒化学的文章列在第一篇。他在文章中指出,从本世纪末和下世纪初,是化学动力学发展的辉煌时期。这一时期内,科学家们将通过使用现代的实验技术和数学物理知识,利用高速度计算机,从分子层次上去了解化学反应的本质,进而试图去控制化学反应。 

飞秒化学(Femtochemistry),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,为整个化学及其相关科学带来了一场革命。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,它是飞秒化学的技术基础。

 

飞秒即10- 15(fs) , 这个时标与分子中的电子或质子的运动速率大致相对应。一般的化学反应(热化学) 过程大约在106 (Ms) 的量级, 特快反应也不过在毫秒(ms) 的量级; 大分子(液态) 的转动和平移运动的速率也只需要用到微秒(Ls) 时间分辨技术; 所以跟踪这类化学反应或分子运动过程一般不需要利用皮秒(ps) 或飞秒(fs) 量级的时间分辨技术, 可是要检测到反应过程中某些寿命极短的中间体,特别是在电子转移或质子转移初期所形成的过渡态或中间体, 并获得有关它们的结构与能量状态方面的确切信息, 就必需采用与其相对应的皮秒或飞秒时间分辨技术。

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。

 

 

香山科学会议第22次学术讨论会于199487日至9日在北京香山饭店召开。会议以飞秒化学为主题,由张存浩和楼南泉两位院士主持。中科院、国家科委、国家自然科学基金委、核工业部及高等院校等17个单位的26名专家学者参加了会议。在飞秒化学研究方面做出开创性工作并取得突出成绩的美国U. C. Berkeley大学的陈永勤教授也应邀参加,并就飞秒化学和飞秒激光技术做出主题发言。与会学者在自由热烈的气氛中讨论了飞秒化学及飞秒激光技术的进展、现状、意义和发展方向。与会者经过讨论在如下几方面取得共识:
    1、飞秒激光器的出现是研究化学过程的一个新的里程碑,把观测化学变化过程推进到飞秒尺度,随之一些新的化学现象将展现在人类面前。特别是1991年掺钛蓝宝石固体飞秒激光器的成功,表明了飞秒激光技术已经成熟,能够为飞秒化学提供有力的工具。我国在飞秒化学这一前沿学科的基础研究方面,已经具备了理论基础和实验技术,应尽快建立和发展这一新的学科研究领域,走入国际前列。
    2、深入地讨论了高分辨光谱与飞秒时域谱之间的关系。从基本原理上说,频率谱和时域谱之间是由付氏变换和反变换联系起来的,但是在实践中我们还无法则得由频谱反变换到时域谱所需的全部信息,也就无法实现这种反变换。因此,两者在研究化学过程中都同样具有不能替代的重要作用。要全面认识化学过程,采用两种互补的谱学方法是必要的。
    3、在飞秒时间尺度下,无论在原理上和具体实验研究中,测不准原理的制约强烈地表现出来,因此在飞秒化学研究中,无论是立项选题还是实验测量均应考虑这一基本原理的作用。

随着研究的拓展,飞秒化学已经渗透到许多领域,不仅对分子束而且在表面化学方面(如理解和改良催化剂)、液体和溶剂方面、聚合物方面(如导体材料)等都得到应用。另一个重要的应用领域是生命科学方面。总之,泽维尔的飞秒光学实验技术,犹如电视节目通过慢动作来观看足球精彩镜头那样,他的研究成果可以让人们通过“慢动作”观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态,从根本上改变了我们对化学反应过程的认识。

 

参考文献:

1傅 萱,诺贝尔奖获得者泽维尔被我校授予名誉教授,复旦新闻网,2004.7.2

2】黄坤林,飞 秒 化 学——1999年诺贝尔化学奖,化 学 教 育 ,2000 年第5

3】宋心琦,飞秒化学及其启示,化 学 教 育 ,2000 年第5

【4】The Nobel Prize in Chemistry 1999, http://nobelprize.org 

5飞秒化学,香山科学会议第22次学术讨论会www.xssc.ac.cn 199487