【李遠哲獲頒諾貝爾化學獎30週年】1986年化學獎官方新聞稿

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圖片出自諾貝爾官網

撰文|中央研究院原子與分子科學研究所研究員暨台大化學系合聘教授 林志民

為了表彰他們在化學基本過程的動態研究上的貢獻,瑞典皇家科學院已決定將1986年諾貝爾化學獎授予

Professor Dudley R. Herschbach, Harvard University, Cambridge, USA,Professor Yuan T. Lee, University of California, Berkeley, USA and Professor John C. Polanyi, University of Toronto, Toronto, Canada

總結

為了表彰他們在化學基本過程的動態研究上的貢獻,今年的諾貝爾化學獎由Herschbach、李遠哲和Polanyi三人共享。化學反應動態學是化學研究的一個新領域,他們的研究對此領域的發展十分重要,對於化學反應是如何發生的提供了更為詳細的理解。

Herschbach 發展交叉分子束方法,使化學反應的詳細研究成為可能,並闡明了基本反應的動態學。李遠哲起初與Herschbach 合作,開發交叉分子束方法,後來李遠哲將其進一步應用於更普遍的反應上。值得一提的是,他將這種方法應用於研究較大分子的重要反應。Polanyi 開發了紅外波段的化學發光方法,藉由測量與分析從一個新形成的分子所發出的極弱紅外光,闡明化學反應中詳細的能量分布。

背景

物質中的原子和分子都不曾真正靜止,在氣體或液體中,分子間的碰撞不斷地發生。當分子彼此靠得足夠近時,原子可能在分子間或分子內發生重新排列,形成所謂的產物分子,代表化學反應的發生。要讓一個化學反應發生,碰撞的分子往往要有一些特殊的性質,如高速或具有大量的內能。

關於化學反應如何發生、其反應速率如何測量的傳統描述,屬於化學反應動力學的領域。過去的幾十年中,這個領域發展迅速,又以其實驗方法為甚。1967年諾貝爾化學獎由德國的Eigen、英國的Norrish和Porter共同獲得,為了表彰他們在極為快速之化學反應上的研究。然而,在許多方面,什麼分子特徵會影響化學反應速率的基本理解,卻只有緩慢的進展。

在氣體或液體中,分子運動的速度和方向主要是隨機的。因此,分子之間的碰撞及能量是不明確的;該分子間反應的細節因而變得模糊,不能進行足夠精確的觀測。在分子束的發展之前,這個問題並沒有得到令人滿意的解決。

終於,通過使用分子束(低密度的分子射線,具明確定義的方向,往往還具有良好限定的速度)這個問題得以解決。當兩個分子束相互交叉,分子之間反應的細節得以研究。交叉分子束技術是反應動態學領域中,最重要的進展之一。

Herschbach 在草創期就參與了這種技術的發展。他極重要的成就,是關於短壽命的直接反應的實例研究,特別是對於“反彈”和“脫去”這兩種類型的反應。他改良了一般所用的偵測方法,克服了早期實驗中的一些問題。再者,在交叉分子束實驗中發現的長壽命反應複合物,其形成與衰變,不久之後也可用理論來描述。在這些反應中,首次觀察到角動量的重要性。隨後,李遠哲和他人的研究,都清楚地顯示,這種類型的長壽命反應具有普遍的重要性。

在交叉分子束領域發展的第一階段,受限於當時的偵測方法,只能研究鹼金屬原子和其它分子之間的反應。幾個研究團隊開發了交叉分子束儀器,以研究更普遍的反應。其中最精巧複雜的儀器,是由李遠哲首先在Herschbach實驗室所開發的。這個所謂的「超級機器」使用兩道明確定義的交叉分子束和一個可移動的質譜偵測器,偵測器裝有電子轟擊電離和數段的差動抽氣。

李遠哲、Herschbach以及其他研究人員,已經使用這種類型的分子束裝置對大量的化學反應進行了詳細的研究。李遠哲透過研究有機分子和氟或氧原子之間的反應,朝向化學中重要反應系統的開發。在這樣的較大分子系統中,無論短壽命直接反應或是長壽命的反應都被觀察到。這證實了,含鹼金屬原子反應體系的早期研究結果,具普遍的有效性。近年來,李遠哲也研究了對燃燒化學和大氣化學具立即意義的重要反應。

Polanyi開發了另一個可詳細研究化學反應的重要方法 — 紅外線化學發光法。這個發展與交叉分子束的領域同時形成。這種互補的方法,在許多方面,類似於交叉分子束法,但涉及從某些化學反應的產物分子,測量和分析極弱的紅外線發光。化學反應過剩的能量,可儲存於產物分子的內能,經過一些時間後,這些能量可用紅外光的形式發射出來。透過分析這種紅外光的光譜,可直接顯示該產物分子的量子狀態。這間接地給出非常重要的資訊,是關於描述系統中(作用力)位能的多維表面。在大多數情況下,位能面是未知的,但它根本地決定了化學反應的詳細行為。

Polanyi 結合了實驗結果與反應位能面的描述。例如位能表面上的能量屏障(過度態)的位置如何影響該反應的動態。在某些情況下,他已觀察到產物分子分屬於兩個不同的內能分布。在化學反應動態學研究中,他所開發的方法被視為,使用雷射的更複雜方法的前身。

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諾貝爾官網原文請點此

 

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