神奇的激光剪刀

神奇的激光剪刀

分子的运动包括分子的质心平动、分子围绕其对称轴的转动、组成分子的原子在其平衡位置上的振动、各原子的电子围绕着原子核的运动以及各原子核本身的核自旋运动等五种形式。当外界给予分子一定的能量时，就可能把分子从低能态激发到高能态上去。事实上，处于高能态的分子不如处于低能态的分子稳定，它有返回低能态的趋势。当分子从高能态跃迁至低能态时，多余的能量便以光子的形式辐射出来，这样的辐射通常称为自发辐射，自发辐射所产生的光为自然光。如果用一个外来光将处于高能态的分子诱发跃迁到低能态，而且这个外来光的频率恰等于激发态分子的固有频率，这时就引起了分子的受激辐射，受激辐射所产生的光即为激光。

与普通光相比，激光具有“单色高亮度”的特点。所谓“单色”是说激光的波长十分一致。对于通常的激光，同一束光的波长差别不足10^－18米。所谓“高亮度”是说激光的强度极高，脉冲激光器的单脉冲能量可达到数十焦耳。由于其作用时间可短至10^－12秒，因此所产生的激光功率可达到10¹³瓦。这个能量作用在与激光束截面积相应大小的物体上，可产生10⁸千帕的压力，温度可升高至近10⁷℃。除此以外，与普通光相比激光还具有方向性好、相干性好等特点。到20世纪末，人们已研制出可连续发出激光的连续激光器、可间歇式发出激光的脉冲激光器、激光波长可在一定范围内调节的调谐激光器等；根据其工作介质的不同，我们有固体激光器（如红宝石激光器）、气体激光器（如CO₂激光器）；根据其激光波长的不同，我们有红外激光器、紫外激光器和可见光激光器等。

激光具有许多不同于普通光的特殊性质，自20世纪60年代问世以来，已在许多领域得到了应用。在工业生产中，已利用激光来进行各种硬、脆、韧材料的切削、焊接、打孔和表面处理等加工；在农业生产上，用激光辐照种子来提高种子的发芽率；在医学上，激光已用作外科、眼科、皮肤科等的特种手术刀；在地质勘探、大气探测和天文研究中，激光是准确、高效的测距仪；激光通讯、激光制导是现代战争的特点之一，激光武器是摧毁敌人飞机、导弹的有效武器。

在基础化学研究中，激光是人们了解物质结构、研究分子间相互作用、探索化学反应的动态过程等的强有力工具。在化工生产中，激光引发化学反应、激光分离同位素已得到了初步应用。当然，激光在化工应用中最令化学家们梦寐以求的莫过于分子化学键的选择性解离和合成，即通常所说的“分子剪裁”。

分子由原子组成，各原子之间是通过化学键来联系的。分子可以以不同的方式振动，通常组成分子的原子越多，振动的方式（又称振动模式）就越多。如CO₂分子有对称性伸缩振动、反对称性伸缩振动、前后扭曲振动和上下扭曲振动四种。由于后两种扭曲振动在本质上属于同一种类型，因此我们说CO₂有三种振动模式。每一种振动模式都有自己的振动频率，它对应于特定的红外吸收频率。如果外界辐照该分子的光的频率（或能量）恰等于分子中某振动模式的特征振动频率，则我们就说该光子的能量与该分子的该振动能级相匹配，该光子就能够被该分子吸收。分子吸收光子后，引起振动能级的激发。当振动能级激发到原来能级（通常称为基态）的上一能级时，我们就说该振动处于第一激发态；处于第一激发态的分子继续吸收相应能量的光子时，便可激发至第二激发态、第三激发态……。当该振动的能量大于该键的键能时，就可以引起该键的断裂。原则上，我们可以针对分子中不同化学键的特征振动频率来选择不同波长的激光，通过该化学键的多光子吸收，引起目标化学键的断裂，以达到随意“剪裁”分子的目的。

在激光问世的最初几十年时间里，激光化学家们在“分子剪裁”方面一直进行着不懈的努力。但到20世纪末，人们在这方面几乎没有取得令人满意的成果。这是为什么呢？

原来分子的各运动方式之间的能量是能够转移的，而且转移的速度非常快，大约只需10^－12秒或更少。当我们用对应于分子中某一振动模式的频率的激光去激发分子的时候，这一振动模式所吸收的光能量总是迅速地转移到分子的其他运动方式（如其他振动模式、平动、转动、电子运动与核运动等）。这种分子的能量在分子内部转移并重新达到平衡的过程称为能量的驰豫，能量驰豫所需要的时间称为驰豫时间（约10－12秒）。当吸收了激光能量的分子通过能量驰豫使得能量在分子内部的各个运动方式下达到新的平衡时，每一个运动方式的能量都有不同程度的提高，最后总是其中最弱的那个键首先断裂而发生解离。显然这种解离是没有选择性的，所得到的离解产物与激发光的波长（或频率）是没有关系的。

但是，如果我们所用的激光器的功率足够大，并且可以调节激光的输出频率，那么我们就可以选择对应分子某个键振动频率的激光来辐照分子，使这个振动模式所吸收的激光能量在还来不及转移到其他振动模式的时候就使所对应的键发生断裂，以达到分子剪裁的目的。如果再在这个断裂的键上有目的地连接上某种原子或原子团，这样我们就合成出了一个新的分子。虽然目前的激光器的功率还不够大，还不能实现分子的选择性离解，但高功率CO₂脉冲激光器所进行的红外多光子解离，使我们看到了键选择性解离的可能性。

如果实现了分子的键选择性解离和合成，那么我们就可以根据需要任意地剪接分子，合成出用通常的方法所无法制得的新物质。伴随而来的必定是一系列不可思议的奇迹，这对人类生活和社会发展的影响将是无法估量的。