Elektron orbital tasviri

Elektron orbital ko'rish - bu real fazoda elektron (yoki teshik) orbitallarining tasvirlarini yaratish uchun ishlatiladigan rentgen- sinxrotron usuli. U elektronlarni monokristaldan noelastik ravishda sochish uchun rezonansli bo'lmagan elastik rentgen nurlarining tarqalishi rentgen nurlarining tarqalishi texnikasidan foydalanadi. Bu o'tish metallarda valent elektronlarini o'rganish uchun elementga xos spektroskopik texnikadir.

Fon

Ko'pgina kvant mexanikasi darsliklarida elektronning to'lqin funksiyalari tasvirlari keng tarqalgan. Biroq, bu elektronlarning bu orbital shakllari ko'rsatilgan tasvirlar butunlay matematik ko'rinishga ega. Sof eksperimental usul sifatida elektron orbital tasvirlash bir-birini to'ldiruvchi nazariy yondashuvlardan foydalanmasdan kondensatsiyalangan moddalar fizikasidagi ba'zi muammolarni hal qilish qobiliyatiga ega. Nazariy yondashuvlar aniq bo'lsa-da, har doim ishlatiladigan yondashuvga qarab o'zgarib turadigan bir nechta asosiy taxminlarga tayanadi. Orbital tasvirni ishlab chiqish motivatsiyasi eksperimental spektrlarni modellashtirish uchun murakkab nazariy hisob-kitoblarni o'tkazib yuborish istagidan kelib chiqadi.

1-rasm. Eksperimental tushayotgan foton va chiquvchi fotonning momentum vektoridagi farqdan foydalanadi. Ular orasidagi vektor farqi q, bu elektron teshiklar o'lchanadigan yo'nalishdir (yagona kristalli namunaning yo'nalishiga nisbatan). Kristal analizatorlar bitta foton energiyasidan tashqari hamma narsani filtrlash uchun harakat qiladilar, ularga ta'sir qiladigan energiyalarning katta diapazonidan.

Rezonanssiz noelastik rentgen nurlarining tarqalish kesimi fotoelektrik yutilishdan kichikroqdir. Katta qattiq burchakni aniqlashga qodir bo'lgan samarali spektrometrlarga ega yuqori yorqinlikdagi sinxrotron nurlanish chiziqlari talab qilinadi. XRS spektrometrlari odatda namunadan keyin fokuslovchi monoxromator vazifasini bajaradigan sferik egri analizator kristallariga asoslanadi. 10 keV darajasidagi foton energiyasi uchun energiya ruxsati 1 eV darajasida bo'ladi.

Elektron teshiklarining zichligini valentlik bandini impuls uzatish vektori q yo'nalishi bo'yicha o'lchaydi (1-rasm), bu kiruvchi q _kirish va _chiquvchi q fotonlar orasidagi impulsning farqi sifatida aniqlanadi. Namuna keyingi o'lchovlar orasida (bir th burchak ostida) aylantiriladi, shunda impuls uzatish vektori kristalldagi tekislikni kesib o'tadi. Teshiklar oddiygina elektron tekislikka teskari bo'lganligi sababli, berilgan tekislikdagi egallangan (elektron) va bo'sh (teshik) orbitallarni tasvirlash mumkin. Amalda etarlicha katta q ga erishish uchun ~10keV fotonlardan foydalaniladi (dipol taqiqlangan o'tishlarga kirish uchun kerak, quyida Nazariy asosga qarang). Tarqalgan fotonlar doimiy energiyada aniqlanadi, tushgan foton energiyasi esa tegishli qo'zg'alishning bog'lanish energiyasiga mos keladigan diapazondan yuqoriga suriladi. Misol uchun, agar aniqlangan fotonlarning energiyasi 10keV bo'lsa va nikel 3 s (bog'lanish energiyasi 111eV) qo'zg'alish qiziqish uyg'otsa, u holda tushayotgan fotonlar 10,111keV atrofida siljiydi. Shu tarzda namunaga uzatiladigan energiya o'lchanadi. Yadro darajasidagi elektron qo'zg'alish intensivligi (masalan, 3 s → 3 d ) o'lchanayotgan kristalga nisbatan momentum uzatish vektori q ning turli yo'nalishlari uchun integrallashgan. S orbitaldan foydalanish eng qulay hisoblanadi, chunki u sharsimondir va shuning uchun texnika faqat yakuniy to'lqin funksiyasi shakliga sezgir. Hosil bo'lgan spektrning integral intensivligi q yo'nalishidagi teshik zichligiga proportsionaldir.

Nazariy asosi

Dipol taqiqlangan elektron o'tishlarga kirish qobiliyatiga bog'liq bo'ladi.

O'lchash uchun ikki tomonlama differensial kesma quyidagicha ifodalanadi:

${\displaystyle {d^{2}\sigma \over d\Omega d\omega }=\left({d\sigma \over d\Omega }\right)_{\rm {Th}}\times S(\mathbf {q} ,\omega )}$

Bu erda (ds/dŌ) _Th - Tomsonning sochilish kesimi (elektromagnit to'lqinlarning elektronlardan elastik sochilishini ifodalaydi) va S( q ,ō) - o'lchanadigan materialning fizikasini o'z ichiga olgan dinamik struktura omili va tomonidan berilgan:

$S(\mathbf {q} ,\omega )=\sum _{f}|{\mathrm {\langle } {f}|{e}}^{-i\mathbf {q} \cdot \mathbf {r} }|i\rangle |^{2}\delta (E_{i}+E_{f}+\hbar \omega )$

bu yerda q = k _f - k _i impulsning uzatilishi va delta funktsiyasi d energiyani tejaydi: ō - foton energiyasining yo'qolishi va E _i & E _f - mos ravishda tizimning boshlang'ich va oxirgi holatlari. Agar q kichik bo'lsa, u holda o'tish matritsasining Teylor kengayishi e ^{i q·r} kengayishdagi faqat birinchi ( dipol ) had muhimligini bildiradi. Orbital tasvirlar impuls o'tkazuvchanligi oshishi bilan (~ 4 dan 15 Å ^-1 ) o'tish matritsasining kengayishi uchun boshqa shartlar dolzarb bo'lib ketishiga asoslanadi, bu esa eksperimentatorga yuqori ko'p qutbli o'tish.

Ilovalar

Elektron orbital tasviri qattiq jismlar fizikasida qo'llaniladi, bunda asosiy maqsad ma'lum bir materialning kuzatilgan massaviy xususiyatlarini - elektron yoki magnit bo'lsin - elektronlarning atom nuqtai nazaridan tushunishdir. Ko'pgina materiallarda shunday bo'ladiki, raqobatdosh o'zaro ta'sirlarning nozik muvozanati mavjud bo'lib, ular birgalikda ma'lum bir orbital holatni barqarorlashtiradi, bu esa o'z navbatida jismoniy xususiyatlarni belgilaydi. Elektron orbital tasviri olimlarga real fazoda valentlik elektron orbitallarini bevosita tasvirlash imkonini beradi. Buning afzalligi eksperimental spektrlarni nazariy modellashtirishni chetlab o'tish va tegishli orbitallarni bevosita kuzatish.

Ushbu texnikaning birinchi qo'llanilishi 2019 yilda nashr etilgan va Nikel (II) oksidining 3D orbitallarini (ayniqsa elektronlarning teskarisi bo'lgan teshiklarni) ko'rsatdi. E _g orbitallarning shakli haqiqiy fazoda NiO ning monokristalining ko'ndalang kesimi orqali tasvirlangan.

2-rasm Ca ₃ Co ₂ O ₆ uchun qizil nuqtalar donutga o'xshash d ₂ orbitalining kesma kesmasini ko'rsatadi.

Ising magnit materiali Ca ₃ Co ₂ O ₆ (2-rasm) yuqori spinli trigonal muvofiqlashtirilgan kobalt uchastkasidagi oltinchi elektron ekanligini va kuzatilgan katta hajmdagi katta orbitalni keltirib chiqarishini aniq ko'rsatish uchun qo'llangan. magnit moment .