化学中的量子理论

零点能(zero-point energy)

把任何东西冷却下来,我们的直觉会说它的运动该逐渐消退,直到在可能的最低温度下,一切完全静止。量子世界却拒绝如此。即便在绝对零度,一个被束缚的粒子仍保有一点无法去除的微小抖动。这是能量阶梯的最低一级,而这一级,处在零之上。这点剩下的、无法去除的运动,就是零点能。

更准确地说,零点能是一个量子系统在其最低允许状态——基态——下仍然拥有的能量,即便所有热运动都已被取走。它是不确定性原理的直接结果:一个被钉在确定位置上、运动恰好为零的粒子,会违反「位置和动量不能同时精确」的规则,所以自然禁止完全的静止。每一个被束缚的粒子,从原子里的电子,到在键中振动的原子,都拥有它。

诚实地说,它的重大意义在于:这并非一项可有可无的记账项——它有真实、可测量的化学效应。由于较轻的原子有较大的零点能,把氢换成它较重的孪生兄弟氘,会改变键断裂的快慢,化学家正利用这一点。它还使氦一直到绝对零度都保持液态,并支撑着这样一个日常事实:分子从不会真正停止振动,即便在最深的严寒里。

一根化学键的行为像一根微小的量子弹簧,即便在绝对零度也从不停止伸缩——它保有自己的零点振动。把其中的氢换成较重的氘,会降低这一振动,于是 C–D 键比 C–H 键稍微更难断裂。这种动力学同位素效应帮助化学家追踪在一个反应里究竟是哪根键断了。

即便在绝对零度,键也仍在振动——较重的原子振动得更少。

零点能是真实存在的,但不大。流行的说法——把它当作取之不尽的免费能源——是没有根据的:它是一个系统所能拥有的最低能量,所以按定义,无法从一个已经处于基态的系统里再提取出能量。

又称
零点能量零點能量ground-state energy