量子力學為您揭秘：你的頭髮正在與空氣中的水「交換」氫

2020-08-10 郭哥聊科學

組成我們身體的大部分原子都是通過食物和飲水或者是通過呼吸進入我們的體內，並成為我們身體的一部分的。在通常的理解下，它們都是通過化學反應，被我們的身體加以利用。但有一種原子例外，這就是——氫，氫除了可以通過化學交換進入我們的體內之外，還可以通過量子效應成為我們身體的一部分。

圖一、顯微鏡下的頭髮

一、水中氫的量子效應

在化學元素中期表中，氫是1號元素，氫的同位素中，氕的含量最高，其質量僅僅是電子質量的1836倍，水中的氫常常表現出量子行為，所以仍然用經典模型去處理就會不準確，必須要考慮氫的量子性。由於氫是水的主要組成元素，因此氫元素的量子行為在處理水相互作用時常常會表現出來。

圖二、路徑積分分子動力學模擬中的一個體態水位形

根據化學平衡理論，純水的酸鹼性是中性的，即水中氫離子與氫氧根離子的濃度同為10^7mol/L。在水中，氫離子以水合氫離子的形式存在。不過，氫離子並不是固定在一個水分子上，而是沿著氫鍵的方向以一定的速率在水中傳輸。

圖三、300K下水中H傳輸時的分布情況

由於氫離子的質量很小，在不同的水分子之間轉移的時候，會表現出強烈的量子效應。氫離子在不同水分子之間的轉移過程雖然是一個熱力學過程，但氫的量子效應的影響非常大。如果我們用經典模型去計算，氫離子在轉移過程中的轉移勢壘是24meV，這個數值要遠小於氫的零點振動能。如果我們考慮氫的量子效應則沒有勢壘。

圖四、水中氫離子和氫氧根離子的傳輸路徑

另一個問題是，氫離子被共享的範圍變大，氫離子的迴轉半徑要比用經典理論得到的0.9埃增加至1.3埃，這使得氫離子更加非局域化。

水中游離的氫氧根離子與氫離子的行為類似，但也有不同。在氫氧根離子的周圍有4個相鄰的水分子，與前面說的氫離子與水分子形成臨時的水合氫離子不同，氫氧根離子在傳輸時形成的是H2O2結構。由於氫的量子效應，氫氧根離子的轉移勢壘從經典模型中的55meV降至15meV。

圖五、氫氧根傳輸時氫的分布情形

由於量子效應，在H2O2結構中存在雙勢阱，所以單分子的水合氫離子H3O2隻能是臨時結合，是一種不穩定的過渡狀態。這與二聚體水合氫離子H5O2+中形成較穩定的氫離子被共享的量子狀態不同，所以不能簡單地把氫氧根離子傳輸過程看做是氫離子的空位傳輸。

圖六、不同金屬表面上氫氧根間距和氧原子間距的分布機率

如果以上內容您覺得讀起來有些困難，可以點開我前幾天寫的另外一篇文章《》作為閱讀本文的鋪墊。

即使您完全沒有看懂我在說什麼，這也不要緊，只需要記住這樣一個結論——水中的水分子可以通過氫鍵連接成多個水分子的結構，並且氫離子會在這些拉起手來的水分子之間沿著氫鍵的方向移動。只要記住這個結論，我們就比較容易理解下面這個過程。

圖七、氫核的量子效應對氫鍵的影響

二、毛髮與環境之間的氫交換

在我們賴以維持呼吸的空氣中有著「大量」的水分子，即使是在沙漠那樣的乾燥環境中，水分子也會佔到千分之一的比例，而在梅雨季節，空氣中水分子的比例會達到百分之四。

這些水分子會隨著風撞擊到我們的身體上，也會隨著呼吸進入我們的體內，其中的一些會進入肺泡，並與氧一起穿過毛細血管壁進入到血液中。我們體表的眼淚和細細的汗珠會把一部分水分子拉到我們的身體上，同時一些水分子也會進入到我們身體毛髮的縫隙中。

圖八、顯微鏡下的髮根

這些來自空氣中，吸附在我們身體上的水分子會與構成我們身體組織中的氫鍵（注意：氫鍵並不是水分子獨有的，而是氫與碳、氮、氧、硫等都可以形成強弱不同的氫鍵）構成新的氫鍵連接。這些外來的水分子中的氫可以與我們體內的氫沿著氫鍵發生交換。

這些水中的氫原子，不斷地發生著交換氫原子的遊戲，這意味著，我們不僅與周圍的空氣中的水在發生氫原子交換，同時也在與同處一室的小夥伴之間發生著氫原子的交換。

圖九、顯微鏡下的頭髮

這種交換的速度有多快？只要幾個小時，就可以有大約10%的頭髮中的氫原子，被周圍空氣中水分子中的氫原子所替換。只要在某處駐留不超過4天，我們頭髮中的氫原子就可以與空氣中水分子中的氫達到動態平衡。

當然了，組成我們身體的大多數的蛋白質和其它分子中結構性的氫原子，其主要來源還是食物和飲料。

圖十、顯微鏡下的頭髮

三、科學家是如何知道毛髮可以與環境中的水分子交換氫的呢？

這要得益於氫的同位素。如今我們都知道，氫有多種同位素，其中大家最熟悉的有三種：氕、氘、氚。氕（1H）通常稱為氫，它是氫的主要穩定同位素，其天然豐度為99.985%。氘 ：氫的同位素，其原子量為氕的二倍，少量的存在於天然水中，用於核反應，並在化學和生物學的研究工作中作示蹤原子。

氫的同位素之間的化學性質完全相同，所以在環境中置入含有氘元素的水分子或者是飲用含有氘的水，不會對人體產生任何傷害。

通過檢測正常人，在不同時間段，停留在含有由氘元素組成的水分子的空氣中，頭髮內的氘元素的含量，就可以了解頭髮與環境之間的氫交換速度了。

圖十一、氫的常見三種同位素

結束語——氫的世界很精彩

本文用量子力學理論為您揭秘了在原子級視角下，神奇的氫的行為，以及這種行為導致的人體與環境之間的原子級交換過程。雖然量子理論已經讓我們對水的了解深入到了分子、原子、電子這個級別，但是至今仍然有許多關於水的神奇現象，仍然是科學家們沒有掌握的，期待著小夥伴們去發現——看好你呦！

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