小侯飞氘，御氘术九级 阅读原文 世上没有不透风的墙。 哪怕你用纯金属浇铸一堵严丝合缝的墙，气体原子（特别是氢）在量子隧穿效应的作用下，也有一定概率「瞬移」到墙的另一边去。 最近在文献上看到氢原子的超级扩散（superdiffusion)，算是比较反经典直觉的一种现象，这里正好给大家介绍一下。 为了照顾普通读者，我且把「氢原子的超级扩散」这个现象拆分成几个小问题，并尽量用通俗的语言来回答。 先来一道送分题，什么是扩散？ 这个概念大家应该比较熟悉。你把一滴墨水滴入水缸中，墨水最终会均匀的分布至整个水缸。这中物质自发从高浓度区域向低浓度区域的转移的过程，就称为扩散。 墨水在水中的扩散 再来一题热身题，扩散的本质是什么？ 大家应该知道，我们感受到的温度其实是微观分子热运动的表现，这种热运动是随机且无规则的。正是这种随机的热运动驱动着染料分子到处乱跑，从而充满整个水缸。 这就好比下课铃一响，一群好动的熊孩子便会离开教室各种疯，不一会儿操场上就到处都是熊孩子的身影了。 氢原子在金属表面的随机扩散 大题来了，什么是超级扩散？ 很多情况下，一个原子的扩散需要挤开周围的其他原子，这需要一定的能量： 扩散过程中的能量变化（右侧曲线） 越过这个能垒需要的能量是由热运动提供的。当温度较高时，激烈的热运动能轻易提供这个能量，扩散自然就快。反过来，温度低，没有足够的热动能，扩散也就越困难。 如果我们测量不同温度下的扩散速率，会发现随着温度的下降，扩散速率呈指数式降低，也就是下图中的红色虚线（注意纵坐标是对数尺度）： 氢、氘在铜表面的扩散系数随温度变化 可以看到，氘的扩散速率确实是指数式降低，算是正常扩散。 然而作为氘的同位素，氢和氘化学性质几乎完全一致，按理说扩散行为也应该区别也不大，但氢的扩散速率却降到一定程度就不变了。 这种低温下速率异常高的扩散，就称为超级扩散。 压轴题，为什么氢会出现超级扩散？ 如果把上面提到的扩散能垒看成一堵墙，能量不够的话，一般情况下就越不过这堵墙。但是（敲黑板），说了多少次了，答大题不能想当然，要揣摩出题人意思知道么。「一般情况下不能」，潜台词就是说「特殊情况下可以」，而氢就是这种特殊情况。 氢作为质量最小的原子，具有很强的量子效应。这意味着，氢原子的平均能量虽然是一个守恒值，但在短时间内具有很大的不确定性。 通过这种能量 - 时间不确定性，氢原子有一定概率「无中生有」的提高自己的能量，从而越过扩散能垒这堵墙： 隧穿效应：经典力学中由于能量不足无法穿过的能垒墙，在量子力学中有一定概率穿过 而这种量子效应是和温度无关的。在低温下，尽管热运动不足以驱动氢原子扩散时，但量子效应依然能驱动扩散，甚至占据扩散的主导地位。因此扩散速率不随温度降低而降低。 另一方面，量子效应随质量增长迅速衰弱。而氘原子质量是氢原子的两倍，这也解释了为什么氘原子没有明显的超级扩散效应。 阅读原文
