1999年诺贝尔化学奖与化学动力学，本文主要内容关键词为：诺贝尔论文,动力学论文,化学论文,化学奖论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1999年诺贝尔化学奖被授予了埃及出生的美国加州理工学院化学和物理学教授艾哈迈德·泽维尔（Ahamd H.Zewail），以表彰他应用超短激光成像技术观看到分子中原子在化学反应中是如何运动的，从而有助于人们理解、研究和预测重要的化学反应，为整个化学及其相关科学带来一场革命。
化学过程百年研究难识庐山真面目
我们都知道温度升高对大多数化学反应而言速度必然加快，但是长久以来人们解释不清原因，因其非简单的直线关系。1889年瑞典物理化学家阿累尼乌斯（1903年诺贝尔化学奖得主）首先从动力学上阐明化学反应速度与温度关系的物理意义。他指出不能用一般的概念，即用温度升高对反应物分子的运动速度、碰撞频率、浓度和反应体系的黏度所产生的影响来解释反应速度之所以加快。他设想在反应体系中存在着一种不同于一般反应物分子的活化分子，这些活化分子具有比平均能量要高的能量，它们对反应更加敏感，因而在一个反应体系中，只有活化分子才能发生反应。上述观点还意味着分子需要达到一定的临界能量阈值才能发生反应，阿累尼乌斯称这一能量为活化热（现称活化能），它是现代物理化学中一个重要概念。他推导得出以下方程式：
K＝Ae[q/RT]
其中q为活化能，K为反应速度常数，A是一个与温度无关的常数， 叫频率因子，这就是著名的反应速度的指数定律。从方程式看，q 值位于指数项，较之频率因子A是起关键作用的。虽然后来的大量实验事实证明，指数定律只是一个宏观定律，但这个定律所揭示的物理意义，即反应必须跨过“势垒”或达到某种“阈值”，使化学动力学的发展迈出了决定性的一步。
到本世纪30年代，H·艾林和M·波拉尼针对微观体系单个分子提出新的假设，即化学反应过渡态理论。要点是：反应物分子在互相接近过程中，先要经过一个中间过渡状态，即形成活化络合物，它极不稳定，既可分解为产物也可还原为反应物，同时还假定活化络合物与反应物很快建立平衡，而活化络合物的分解才是决定反应速度的关键一步。艾林对该理论的贡献是发展了一种能够预示反应速度的理论并应用统计力学导出了反应速度的一般表示式。反应可以想像为从一个低能点翻越高能垒到另一个低能位置的变化，反应的活化能就是体系必须克服的势垒。他所假定的在势垒顶上的“活化络合物”可以处理为正常分子。艾林的理论被称为绝对速度理论，并被誉为化学动力学百年成就，这是一项足可以获得诺贝尔奖的成就。艾林的理论固然美妙，但是在单个分子反应的短时间内，又有谁能够验证“活化络合物分子”的存在呢？所以艾林直到1982年逝世也没有获得此项奖金，这不能不说是一件很遗憾的事。
飞秒化学技术带来一片柳暗花明
直到80年代末，泽维尔教授做了一系列实验，他用“世界上最快的照相机”，以速度为几十万亿分之一秒超短的激兴闪光，拍摄到一百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子化学键断裂和重新形成的过程。他开创了被称为飞秒化学的新领域，从根本上改变了人们对化学反应的认识。
所谓飞秒化学（femtochemistry），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，用以研究化学反应过程。飞秒即毫微微秒，是一秒的千万亿分之一（10[-15]秒）。 泽维尔实验使用的超短激光技术也称飞秒光谱学技术。犹如电视节目通过慢动作回放来观看足球比赛精彩镜头那样，他的研究成果可以让人们通过“慢动作”跟踪观察处于化学反应过程中的原子与分子的运动过程和转变状态。
实施飞秒化学研究，主要是通过拍摄化学反应过程中各种物质的飞秒光谱。被研究物质置于真空室内，用超短激光注入两束脉冲：先是一束强的泵脉冲，它作用于分子并将其激发至一高能态，然后是一束弱的选定波长的探子脉冲，用以检测初始分子或其变化形式。强脉冲作为反应开始的信号，弱脉冲作为检测工具，通过改变两束脉冲间的间隔就有可能了M解分子的变化速度。
大部分的化学反应是通过一系列中间步骤，产生一系列高活性的反应中间物的过程。这些中间物大部分是原子、自由基、离子或其他活性很高的分子，要深入研究化学动力学就必须设法检测到这些转瞬即逝的反应中间物的各种状态及尽可能找出其浓度随时间的变化关系。
这些中间产物由于其活性很高、存在时间很短、浓度很低以及分析时受到其他组份严重干扰等原因给检测工作造成很大的困难。为此，就必须发展许多快速、灵敏度高、分辨率大、专一性强的仪器设备来检测这些中间产物。
化学反应除了反应粒子的重排外，还伴随着能量的传递，有些反应能量传递的速度支配着化学反应的速度。近年来的研究成果表明，分子能量分布不同，将很大程度上影响反应动力学行为，因此研究不同能量分布对反应动力学的影响是化学动力学一个重要任务之一。
为此，应用近代物理学、电子学、光学的新成就来研究如何检测反应动力学各种性质各异的中间物及其能态就成了动力学很重大的而且令人神往的课题了。这些实验装置的研制成功也就成了近代化学动力学最主要的成就之一。飞秒化学装置就是这种超快速检测仪器之一。
有了飞秒化学技术，化学反应链条上的中间环节——一系列转瞬即逝的中间产物的庐山真面目最终会逐渐显露出来，有助于加深人们对反应机理的了解，为何某些特定的化学反应得以发生，而不是另一些，为何反应速度和产物取决于反应温度等等。科学家们借此可以设计特定功能的催化剂和分子器件，了解生命过程的精细机制，指导未来药物的生产，甚至人工模拟自然界重要的反应，如植物的光合作用。从这个意义上说，解决问题的惟一障碍不再是技术而是人的想像力。估计今后还会有人因飞秒化学研究而获得诺贝尔奖。
泽维尔其人
艾哈迈德·泽维尔于1946年2月26日生于埃及， 先后在亚历山德里亚大学获得理工学士和硕士学位，并于宾夕法尼亚大学获得博士学位，1976年起在加州理工学院任教。目前泽维尔是美国科学院，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院士或会员，并担任美国国家科学基金会分子科学实验室主任。他是有史以来第一位获得诺贝尔科学奖的埃及人，为此，埃及还发行了一枚印有他肖像的邮票以表彰他在科学上取得的成就。