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发信人: lichunlu (露露365), 信区: Environment
标  题: 飞秒科学的发展
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年03月03日09:42:00 星期一), 站内信件


飞秒科学技术的发展已有近20年历史，80年代末泽维尔教授做了一系列试验，他用可能是
世界上速度最快的激光闪光照相机拍摄到一百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的
化学键断裂和新形成的过程。这种照相机用激光以几十万亿分之一秒的速度闪光，可以拍
摄到反应中一次原子振荡的图像。他创立的这种物理化学被称为飞秒化学，飞秒即毫微微
秒（是一秒的千万亿分之一），即用高速照相机拍摄化学反应过程中的分子，记录其在反
应状态下的图像，以研究化学反应。常规状态下，人们是看不见原子和分子的化学反应过
程的，现在则可以通过泽维尔教授在80年代末开创的飞秒化学技术研究单个原子的运动过
程。

　　泽维尔的实验使用了超短激光技术，即飞秒光学技术。犹如电视节目通过慢动作来观
看足球赛精彩镜头那样，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。泽维尔通过“
对基础化学反应的先驱性研究”，使人类得以研究和预测重要的化学反应，泽维尔因而给
化学以及相关科学领域带来了一场革命。

　　那么具体飞秒化学技术是什么呢？下面我们可以进行详细的了解。

　　如果你拍照总是拍得模糊，那么也许问题不在拍照技巧，而在于你需要更高速的相机
。实际上，20多年前化学家也遭遇了同样的问题，即使化学反应就在眼前发生，在多数的
情况下，化学反应在很短的时间内便会结束。因此不仅所拍出的东西不清楚，甚至会出现
只拍摄到反应前与反应后的情形，无法得知正在反应时的状况。在分子与分子相撞引起化
学反应的瞬间，由于时间太过短暂，而无法具体得知究竟发生了什么事。

　　有时化学反应可比喻成两个球相冲撞，如果能量足够则两个球产生新的结合，若能量
不够，两球则会弹开。这样的解释在某种程度上是正确的，但却将化学反应太过单纯化，
省略了化学反应发生瞬间许多生动的细节。

　　在19世纪，人们即藉由经验得知化学反应会随温度上升而加速，因此认为化学反应中
应当具有必需跨越的能量障碍，称为过渡态（transition state）。1930年代将此观念进
一步地发展，而产生了“活化复合体（activated complex）理论”，但这终究只是理论，
无法以实验实际观察。

　　此过渡态所持续的时间单位即为分子内的振动周期。原子与原子在端点相重叠而结合
在一起并振动，此振动称为分子振动，振动周期仅数微微秒（1ps=10的负12次方秒），非
常地短。这就是为什么到了最近科学家才能对此进行观察的原因。

　　分子内及分子间的原子移动速度约每秒一公里，而从反应物变成产物过程中，原子往
往只需移动百亿分之一公尺，因此，观测到原子的运动必须要有时间精密度小于十兆分之
一秒(10的负13次方秒)的测量技术。大概从1980年开始，毫微微秒脉冲激光的相关技术渐
渐发达，并被应用在化学实验上。研究极短时间所发生之化学变化的飞秒化学（femtochem
istry，飞秒为10的负15次方秒）也因此确立。

　　那么，到底是怎么使用毫微微秒脉冲激光来观测分子相会的瞬间呢？

　　基本的原理在于“pump&probe”。首先，以第一个强激发脉冲（pump pulse）引起反
应，同时决定时间零点。然后，利用第二个探测脉冲（probe pulse）在一段延迟时间之后
，测量因分子振动的变化所引起的光吸收之改变，而知道分子处于何种状态。

　　两个脉冲发射的时间间隔，可藉由改变探测脉冲与激发脉冲之间所走过的距离差异（
光程差），来作微细调整。由于光速每秒三十万公里，一飞秒的延迟时间需要约三百三十
万分之一公尺的光程差，若利用精密的机械，即可轻易达成此一微小距离。

　　接着，些微改变两个激光照射的时间间隔（即改变光程差），并不断地反复实验，即
可得到许多数据，将这些不同时间所得到的数据串连在一起，则彷佛能实际观察到化学反
应的整个经过。

　　从这样的飞秒化学角度来看，我们能对化学反应的方式有另一层不同的理解，科学家
们从过去模糊的过渡态理论中踏出更清楚的一步。且飞秒化学的应用，不仅止于简单的化
学反应，例如眼睛见到光线时，眼睛内色素的化学反应等与我们切身相关的复杂反应，均
可藉飞秒化学加以分析。当我们能更清楚知道光子与视紫色素（rhodopsin，一种可与光产
生反应的蛋白质）的反应细节，则对人工视网膜的研究发展将具有相当大的帮助。总之，
飞秒化学所开拓的新天地，是令人感到震惊且辽阔的。

　　为了研究更快的过程，如原子内电子的运动过程，则必须有更快的探测手段，这时飞
秒脉冲就显得太慢了。过去两年中，亚飞秒和阿秒科学技术的研究由理论探讨逐步过渡到
实验上亚飞秒脉冲的产生与测试，尤其引人注目的是，科学家在奥地利成功产生并测量到
单个的亚飞秒脉冲，随后又利用亚飞秒脉冲研究了原子的极端超快电离过程。


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