让原子跟“幽灵”成化学键

宋玉玲

“幽灵化学键”的电脑模型

绿球代表里德伯原子的原子核。蓝球代表最外层电子，现在它定向于附近某个空无一物的空间，成一个三叶虫键，好像那里存在一个真实的原子似的。

我们在中学都学过化学键，即两个原子通过分享最外层电子，从而彼此绑在一起，形成稳定的分子。

俗话说“一个巴掌拍不响”。要形成化学键，至少也要有两个原子吧。但最近，科学家通过计算机模拟显示，也可以让氢原子跟一个实际上并不存在的原子（或者不如说一块空无一物的虚空），形成一个化学键。你说怪不怪？脑洞要大开了吧？

在介绍这件有趣的事儿之前，先回答此刻必定已萦绕在你脑子里的一个问题：既然另一个原子压根儿不存在，凭什么认为那是一个化学键呢？因为正如另一句俗话说的“敬神如神在”，氢原子的行为就好像那个原子真实存在着似的。

好了，接下去让我们细细道来。

奇特的“三叶虫分子”

就像我们的太阳系中行星绕着太阳转一样，原子中的电子也要绕着原子核转。电子的轨道距离原子核越远，能量越高。与行星的情况不同的是，电子可以在这些轨道上跳来跳去。比如，给低轨道的电子一个适当的能量，它就会跳到高轨道去，从而远离原子核。我们称能量最低的轨道为“基态”;称能量比基态高的轨道为“激发态”。电子从低能态跳到高能态，称为“激发”。

物理学上，把核外有一个电子已被激发到很高能量轨道的原子，称作“里德伯原子”。任何原子都可以成为里德伯原子。只要用激光照射原子，让其中一个电子激发，远远离开原子核，但又没有完全挣脱原子核的束缚就可以。要是挣脱了呢，就叫“电离”。里德伯原子就是接近电离状态的原子。

一般在化学反应中，成键的都是处于基态的原子。我们前面讲的是电子的“基态”，那么原子的“基态”又是什么意思呢？我们知道，一般的原子，原子核外电子数不止一个，但是根据你们在中学学过的“泡利不相容原理”，一个轨道最多只能填充2个电子，所以这些电子不可能全填充在最低能量的轨道上。所谓基态的原子，就是说，这些电子老老实实按能量从低到高的轨道填充，从而让整个原子能量最低。就好比货架，底下的格子填满了再填上面的格子，这样整个架子的势能最低。

但是，处于激发态的原子（核外至少有一个电子不老实，已跳到能量更高的轨道去了），也可以跟别的原子成化学键。比如，里德伯原子可以把那个激发的电子（此时它处于最外层）拿出来与附近另一个处于基态的原子共享，形成一个化学键，从而形成一个分子。

这样由一个普通原子和一个里德伯原子形成的分子，形状看起来像一只三叶虫，所以被称为“三叶虫分子”，而称其化学键为“三叶虫键”。化学上，化学键的长度是形成分子的两个原子之间的距离（即两个原子核之间的距离）。你想，在“三叶虫分子”中，两个原子离得那么远，“三叶虫键”自然就很长，一般要比普通化学键长得多，属于超大号的化学键，某些情况下达到普通化学键的1000多倍。

这类“三叶虫分子”是在2000年由理论预言的，15年后在实验室得到证实。通过这种办法，化学家现在可以制造出许多打破常规的分子。比如由两个铯原子组成的分子，其中一个是普通铯原子，另一个铯原子则是里德伯原子。

與“幽灵”也能成化学键

三叶虫键虽然奇特，但成键的毕竟还是两个原子，这一点并没有违反常识。现在，科学家又预言了一件更令人匪夷所思的事情：完全可以撇开另一个原子，只要有一个里德伯原子，就能形成三叶虫键。我们所需要做的，只是对里德伯原子施点小伎俩。

在理论模拟实验中，科学家采用的“小伎俩”是一系列精心设计的电脉冲和磁脉冲。把它们施加到里德伯氢原子上。在每个电脉冲期间，里德伯氢原子的最外层电子轨道被拉伸;而在每个磁脉冲期间，电子轨道又被稍微扭曲……这样一步步，一点点，通过电场和磁场来调整电子的轨道，竟然真的塑造出一个三叶虫键来：氢原子的电子定向于附近某个空间，好像那里存在一个与之成键的原子似的。这种“幽灵”般的三叶虫键在低温下足足保持了200微秒。

需要说明一下，这里的“定向”是指电子出现在某个方向的概率要比其他地方大得多的意思，并不是说固定于一个方向。其实，普通的化学键也是这个意思，不是说电子固定于成化学键的地方，只是说它出现在成键位置的概率比别处要高得多。

当然，这一切目前都还只停留在理论模拟上。接下来是尽快到实验中证实。如果证实了，还要看看这种幽灵化学键对化学反应有何影响。不过，那是另一个故事了。