Денситометрия электронного облака - Electron cloud densitometry

Денситометрия электронного облака за счет эффекта смещения электронного пучка, который является следствием квантовой суперпозиции электронного пучка и электронного облака .

Денситометрия электронного облака - это междисциплинарная технология, в которой используются принципы квантовой механики за счет эффекта смещения электронного луча . Эффект , что электронный пучок , проходящий через электронное облако , в соответствии с общим принципом суперпозиции системы, меняет свою интенсивность в пропорции к плотности вероятности от электронного облака . Он дает прямую визуализацию индивидуальных форм атомов , молекул и химических связей .

История

Модель сливового пудинга - это первая модель в форме атома. Эта модель была предложена Дж. Дж. Томсоном в 1904 г., вскоре после открытия электрона. В 1911 году Эрнест Резерфорд , эксперимент с рассеянием альфа-частиц показал, что положительно заряженное вещество сосредоточено в ядре, которое по крайней мере в 3000 раз меньше размера атома. Эрвин Шредингер , Вернер Гейзенберг и другие привели к полному развитию квантовой механики в середине 1920-х годов, которая показала вращательное движение легких электронов вокруг тяжелого ядра и отсутствие орбитальных электронов. Электроны заполняют весь объем атома. В связи с этим Фейнман Р. предложил рассматривать атом в виде облака, плотность которого пропорциональна плотности вероятности наблюдения электрона. Таким образом, «изображение» атома - это ядро, окруженное «электронным облаком» (хотя на самом деле мы имеем в виду «облако вероятности»), описывающим местоположение электрона, из-за принципа неопределенности .

Плотность электронного облака атомов , молекул и химических связей

Фотографии плотности электронного облака ρ (x, y) : а) углеродная нанотрубка ; б) руденит; в) ковалентные химические связи в кристаллическом кремнии ; г) отдельная молекула пентана

Пытаясь узнать как можно больше о природе, современная физика обнаружила, что электронные облака можно «узнать» с уверенностью. Прямая визуализация индивидуального электронного облака была получена в 2018 году физиком из Украины Александром Павловичем Кучеровым . Прямая визуализация малых объектов, изучаемых химией, стала возможной благодаря обнаружению смещения электронного луча в соответствии с плотностью электронного облака. В соответствии с этим эффектом атом начинает светиться, изображая свою форму! Дана квантово-механическая теория эффекта. В результате можно было проследить химическую реакцию с изменением химических связей, геометрии молекул и расстояний между атомами.

Плотность электронного облака отдельного атома углерода

Электронно облако плотность р (х, у) из углеродного атома (слева) в кристаллическом графите (справа) визуализировал с разрешением 10 мкм с помощью электронного пучка сдвига эффекта; .

Денситометрия электронного облака использовалась для визуализации кристаллического графита вместе с внутренними орбиталями и валентными электронами. Фотография слева показывает , как шесть электронов образуют сложную форму атома углерода 6 С . Буксировка основных электронов образует розовую сферу в центре. Один валентный электрон образует слабую π-связь (синий), а три валентных электрона образуют сильные σ-связи sp² орбитальные гибриды слева, справа (зеленый) и позади центра атома углерода. Цветовая шкала плотности электронного облака ρ (x, y) дана в процентах. Пространство вокруг атома в основном черное, потому что плотность электронного облака нулевая.

Фотография справа показывает кристаллический углерод, в котором атомы (розовые сферы) расположены слоями, которые связаны сильными σ-связями, орбитальными гибридами sp² (зеленый), тогда как слабые π-связи (синие) проходят между слоями.

Квантовая механика, теория эффекта смещения электронного пучка

Теория прохождения электронного пучка через электронное облако атома была разработана Александром Павловичем Кучеровым. Давайте объясним это. В математически строгой формулировке квантовой механики, состояние квантово - механической системы является волновая функция Ψ . Волновая функция Ψ 12 (q 1 , q 2 ) с координатами q 1 , q 2 описывает состояние составной системы, состоящей из электронного облака исследуемого образца Ψ 1 (q 1 ) и плоской волны электронного пучка, который распространяется по оси z : 

Ψ2(z) = √j exp (ikz) ,

где j - плотность электронного пучка; k - постоянная для плоской волны. Соответственно экран электронного плотномера находится в плоскости x, y .

Согласно квантовой суперпозиции , волновая функция составных систем является произведением этих двух волновых функций: 

Ψ12(q1,q2) = Ψ1(q1) √j exp (ikz).

Вероятность ρ (x, y) найти электрон в точке x, y экрана плотномера является интегралом по всем координатам плоской волны и координате z волновой функции электронов атома: 

ρ (x, y) = ʃ Ψ12(q1,q2) Ψ*12(q1,q2) dq1dz.

Интеграл по координатам dq 1 плоской волны равен j, квадрату модуля. Под интегралом остается плотность электронного облака: 

ρ(x, y) = jnʃρ(x,y,z) dz,

где ρ (x, y, z) - вероятность найти электрон в объеме dx, dy, dz атома, который удовлетворяет условию нормировки: 

1 = ʃʃʃρ(x,y,z) dx, dy, dz.

Обратите внимание, что условие нормировки должно выполняться для каждого из n электронов в атоме. Наконец, связь между интенсивностью электронного пучка и плотностью электронного облака в точке x, y принимает вид: 

I (x, y) = jnρ(x,y),

где n - количество электронов в атоме.

В результате интенсивность электронного луча, проходящего через электронное облако исследуемого образца в точке x, y , прямо пропорциональна плотности электронного облака в столбе в этой точке. В этом суть эффекта смещения электронного луча.

Выражение получено в целом на основе квантовой механики. Был взят интеграл от волновых функций, найденных из уравнения Шредингера и принципа суперпозиции.

заявка

На фотографии показан руденит, сверхплотная пленка из двух слоев плоского гексагонального графема: а) пространственная трехмерная модель руденита, похожая на шарик; б) вид сбоку; в) для сравнения в одном масштабе с макетом фото электронных облаков руденита, вид сбоку.

Денситометрия электронного облака позволяет детально изучить взаимное расположение атомов в молекуле и форму химических связей, а также проследить пути протекания химических реакций. В результате использования денситометрии электронного облака был обнаружен руденит, который представляет собой сверхплотную аллотропную форму углерода с двухслойной алмазоподобной структурой, существование которой позже было подтверждено независимой группой ученых. Впоследствии методом денситометрии электронного облака это вещество было синтезировано в количестве, достаточном для лабораторных исследований.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение