1999年诺贝尔化学奖简介

飞秒化学获奖者简介概念识记探索机理1999年诺贝尔化学奖简介1999年诺贝尔化学奖的获得者是具有埃及和美国双重国籍的科学家艾哈迈德-泽维尔。他获得诺贝尔奖的主要成就是：使用毫微微秒化学技术对化学反应过程进行的研究。泽维尔教授在80年代末开创的毫微微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，即毫微微秒光谱学技术，毫微微秒就是一秒的千万亿分之一。瑞典皇家科学院评价说，泽维尔的研究成果由于使得人类得以研究和预测重要的化学反应，因而给化学以及相关科学领域带来了一场革命。FEMTOCHEMISTRYisthestudyofchemicalreactionswithatimeresolutionoffemtoseconds.Prof.AhmedH.ZewailandhiscolleaguesatCaltechusetwolaserstobothexciteandobservethereactionofxenon(氙)atomswithiodine（碘）molecules.Thetimingofthelaserpulsescanbeadjustedtomodulatetheyieldofreactionproducts.(Nature,2Jan.1992.)艾哈迈德·泽维尔(1946-)艾哈迈德·泽维尔1946年2月26日生于埃及。后在美国亚历山德里亚大学获得理工学士和硕士学位；又在宾西法尼亚大学获得博士学位。1976年起在加州理工学院任教。1990年成为加州理工化学系主任。他目前是美国科学院、美国哲学院、第三世界科学院、欧洲艺术科学和人类学院等多家科学机构的会员。1998年埃及还发行了一枚印有他本人肖像的邮票以表彰他在科学上取得的成就。1999年诺贝尔化学奖授予埃及出生的科学家艾哈迈德·泽维尔（AhmedH.Zewail)，以表彰他应用超短激光闪光成照技术观看到分子中的原子在化学反应中如何运动，从而有助于人们理解和预期重要的化学反应.飞秒和阿秒什么是飞秒和阿秒？飞秒科学的发展阿秒科学的发展飞秒和阿秒科学的用途多数人听到飞秒或阿秒这个词的时候，都会自然地以为这是个时间的概念。它们确实都是时间的单位，是标衡时间长短的一种计量单位。飞秒其实也叫做毫微微秒，即1飞秒只有10的负15次方秒。我们知道，光速是一秒钟30万公里，而在一飞秒之内，光只能走0.3微米，这只是一根头发丝的不到百分之一。而阿秒呢相当于10的负18次方秒，是飞秒的千分之一。新型超强超短脉冲激光的出现与迅猛发展，为人类提供了前所未有的全新的实验手段与极端的物理条件。就时间尺度而言，可以说人类已由飞秒（10的负15次方秒）时代稳步迈进亚飞秒甚至阿秒（10的负18次方秒）时代。所有这一切，都对自然科学和人类社会的进步产生重要的影响。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飞秒科学的发展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。Thiscenturyhaswitnessedgreatstridesintimaeandspaceresolutions,downtotheatomicscale,providingchemists,biologistsandphysicistswithunprecedentedopportunitiesforseeingmicroscopicstructuresanddynamics.Femtochemistryisconcernedwiththetimeresolutionofthemostelementarymotionsofatomsduringchemicalchange—bondbreakingandbondmaking—onthefemtosecond(10-15second)timescale.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（transitionstate）。1930年代将此观念进一步地发展，而产生了活化复合体（activatedcomplex）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。一般的动态测量技术可以分为三大类：机械性、电磁性和光学性技术。机械性测量技术（如照相机）可达到百万分之一秒的精密度，电磁性测量技术（如快速示波器）可达到兆分之一秒的精密度，而唯有光学性测量技术才能达到飞秒及阿秒的境界。这样的技术是在最近二十年来超快激光（ultrafastlaser）发展后，才得以实现。在实验中使用慢的测量技术，会使观察结果涵盖了整个反应过程。再者，由于反应过渡状态只存在短暂的一兆分之一秒，过渡状态的光谱讯号（吸收、萤光及光电离等）往往也非常微小，因而无法测量到。所以，如何设计出测量技术以有效增加过渡状态的讯号，并且与稳定的反应物及产物所产生的巨大背景讯号分离，就成了必须面对的问题。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（femtochemistry，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（pumppulse）引起反应，同时决定时间零点。然后，利用第二个探测脉冲（probepulse）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。科学家用pump-probetechnique来解决问题，首先将同一道光束在同一时间分成两道光束，一道是pump，另一道是probe。Pumpbeam先激发样品，同时激发样品的瞬间就定为时间零点；随后用translationstage（位移平台）来控制probebeam的光径，从而控制probebeam与pumpbeam的时间差。就可以知道样品被激发，经过不同时间后，样品的反应为何。科学家就可以从这些数据中，推测出在即短时间中，电子的跃迁情况或是化合物的反应过程。实验结果得到了观测电子在原子内部不同能量级之间的跃迁运动所必需的快门速度。这开创了物理学中一个新的领域，即阿秒物理学。从此，科学家们将朝时间尺度更小的物理、化学反应一探究竟。这对科学发展所产生的意义是不言而喻的阿秒科学的发展飞秒科学虽然对物理和化学的发展产生了巨大的影响。但对于像电子的运动来说，飞秒化学还是太慢了，电子振动的时间单位是另一层次──阿秒的世界。红外线与可见光一次振动需花3毫微微秒，想以之来测量更短的时间相当困难，因此，过去一直有利用脉冲更短的X光激光来进行测量的想法，但技术上难以达成。在3毫微秒左右，极短时世界的大门便已经关闭。因此，利用阿秒激光技术，原子内部电子的运动情况拍成最快速的电影，每帧画面间相隔仅为几阿秒。阿秒激光是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲，具有瞬间功率极高、聚焦能力极强等特点。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。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。飞秒和阿秒科学的用途在飞秒科学和阿秒科学中，除了揭示自然科学的奥妙之外。与人们直接相关的就是飞秒激光的应用。那么飞秒激光对人们的工作和生活有什么影响呢？众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。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。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生β射线激光，产生正负电子对。高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。密执安大学飞秒激光专家珀容克说：尽管这方面工作已取得不少进展，但很多任务厂已将这一技术列为保密项目。IBM公司已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。这种激光束能安全地切割高爆炸药。飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其它武器。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飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。飞秒激光甚至可用于基因疗法，德国弗里德里克希勒大学的科学家用它就老鼠的细胞进行试验。加州一家公司去年售出了40台飞秒激光视力矫正系统，它们帮助完成了2万次手术。目前人们在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。人们期待着无痛、且可保护周围健康珐琅质的超短激光牙科术的出现。中科院上海光机所等国内机构也在这一科学前沿取得了若干初步进展。当前，该领域无论在理论上还是在实验上都处在出现重大突破的前夜。飞秒激光主要的特点有：第一，飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，1femtosecond=1×10-15s，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍，是人类目前在实验条件下所能获得最短脉冲的技术手段。第二，飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍，科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。第三，它能聚集到比头发的直径还要小的空