Elektron orbital tasviri

Elektron orbital koʻrish – bu real fazoda elektron (yoki teshik) orbitallarining tasvirlarini yaratish uchun ishlatiladigan rentgen- sinxrotron usuli. U elektronlarni monokristaldan noelastik ravishda sochish uchun rezonansli boʻlmagan elastik rentgen nurlarining tarqalishi rentgen nurlarining tarqalishi texnikasidan foydalanadi. Bu oʻtish metallarda valent elektronlarini oʻrganish uchun elementga xos spektroskopik texnikadir.

Fon

Koʻpgina kvant mexanikasi darsliklarida elektronning toʻlqin funksiyalari tasvirlari keng tarqalgan. Biroq, bu elektronlarning bu orbital shakllari koʻrsatilgan tasvirlar butunlay matematik koʻrinishga ega. Sof eksperimental usul sifatida elektron orbital tasvirlash bir-birini toʻldiruvchi nazariy yondashuvlardan foydalanmasdan kondensatsiyalangan moddalar fizikasidagi baʼzi muammolarni hal qilish qobiliyatiga ega. Nazariy yondashuvlar aniq boʻlsa-da, har doim ishlatiladigan yondashuvga qarab oʻzgarib turadigan bir nechta asosiy taxminlarga tayanadi. Orbital tasvirni ishlab chiqish motivatsiyasi eksperimental spektrlarni modellashtirish uchun murakkab nazariy hisob-kitoblarni oʻtkazib yuborish istagidan kelib chiqadi.

1-rasm. Eksperimental tushayotgan foton va chiquvchi fotonning momentum vektoridagi farqdan foydalanadi. Ular orasidagi vektor farqi q, bu elektron teshiklar oʻlchanadigan yoʻnalishdir (yagona kristalli namunaning yoʻnalishiga nisbatan). Kristal analizatorlar bitta foton energiyasidan tashqari hamma narsani filtrlash uchun harakat qiladilar, ularga taʼsir qiladigan energiyalarning katta diapazonidan.

Rezonanssiz noelastik rentgen nurlarining tarqalish kesimi fotoelektrik yutilishdan kichikroqdir. Katta qattiq burchakni aniqlashga qodir boʻlgan 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 boʻladi.

Elektron teshiklarining zichligini valentlik bandini impuls uzatish vektori q yoʻnalishi boʻyicha oʻlchaydi (1-rasm), bu kiruvchi q _kirish va _chiquvchi q fotonlar orasidagi impulsning farqi sifatida aniqlanadi. Namuna keyingi oʻlchovlar orasida (bir th burchak ostida) aylantiriladi, shunda impuls uzatish vektori kristalldagi tekislikni kesib oʻtadi. Teshiklar oddiygina elektron tekislikka teskari boʻlganligi sababli, berilgan tekislikdagi egallangan (elektron) va boʻsh (teshik) orbitallarni tasvirlash mumkin. Amalda etarlicha katta q ga erishish uchun ~10keV fotonlardan foydalaniladi (dipol taqiqlangan oʻtishlarga kirish uchun kerak, quyida Nazariy asosga qarang). Tarqalgan fotonlar doimiy energiyada aniqlanadi, tushgan foton energiyasi esa tegishli qoʻzgʻalishning bogʻlanish energiyasiga mos keladigan diapazondan yuqoriga suriladi. Misol uchun, agar aniqlangan fotonlarning energiyasi 10keV boʻlsa va nikel 3 s (bogʻlanish energiyasi 111eV) qoʻzgʻalish qiziqish uygʻotsa, u holda tushayotgan fotonlar 10,111keV atrofida siljiydi. Shu tarzda namunaga uzatiladigan energiya oʻlchanadi. Yadro darajasidagi elektron qoʻzgʻalish intensivligi (masalan, 3 s → 3 d) oʻlchanayotgan kristalga nisbatan momentum uzatish vektori q ning turli yoʻnalishlari uchun integrallashgan. S orbitaldan foydalanish eng qulay hisoblanadi, chunki u sharsimondir va shuning uchun texnika faqat yakuniy toʻlqin funksiyasi shakliga sezgir. Hosil boʻlgan spektrning integral intensivligi q yoʻnalishidagi teshik zichligiga proportsionaldir.

Nazariy asosi

Dipol taqiqlangan elektron oʻtishlarga kirish qobiliyatiga bogʻliq boʻladi.

Oʻlchash 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 yerda (ds/dŌ) _Th – Tomsonning sochilish kesimi (elektromagnit toʻlqinlarning elektronlardan elastik sochilishini ifodalaydi) va S(q ,ō) – oʻlchanadigan materialning fizikasini oʻz 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 yoʻqolishi va E _i & E _f – mos ravishda tizimning boshlangʻich va oxirgi holatlari. Agar q kichik boʻlsa, u holda oʻtish matritsasining Teylor kengayishi e ^{i q·r} kengayishdagi faqat birinchi (dipol) had muhimligini bildiradi. Orbital tasvirlar impuls oʻtkazuvchanligi oshishi bilan (~ 4 dan 15 Å ^-1) oʻtish matritsasining kengayishi uchun boshqa shartlar dolzarb boʻlib ketishiga asoslanadi, bu esa eksperimentatorga yuqori koʻp qutbli oʻtish.

Ilovalar

Elektron orbital tasviri qattiq jismlar fizikasida qoʻllanadi, bunda asosiy maqsad maʼlum bir materialning kuzatilgan massaviy xususiyatlarini – elektron yoki magnit boʻlsin – elektronlarning atom nuqtai nazaridan tushunishdir. Koʻpgina materiallarda shunday boʻladiki, raqobatdosh oʻzaro taʼsirlarning nozik muvozanati mavjud boʻlib, ular birgalikda maʼlum bir orbital holatni barqarorlashtiradi, bu esa oʻz navbatida jismoniy xususiyatlarni belgilaydi. Elektron orbital tasviri olimlarga real fazoda valentlik elektron orbitallarini bevosita tasvirlash imkonini beradi. Buning afzalligi eksperimental spektrlarni nazariy modellashtirishni chetlab oʻtish va tegishli orbitallarni bevosita kuzatish.

Ushbu texnikaning birinchi qoʻllanilishi 2019 yilda nashr etilgan va Nikel (II) oksidining 3D orbitallarini (ayniqsa elektronlarning teskarisi boʻlgan teshiklarni) koʻrsatdi. E _g orbitallarning shakli haqiqiy fazoda NiO ning monokristalining koʻndalang kesimi orqali tasvirlangan.

2-rasm Ca ₃ Co ₂ O ₆ uchun qizil nuqtalar donutga oʻxshash d ₂ orbitalining kesma kesmasini koʻrsatadi.

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 koʻrsatish uchun qoʻllangan. magnit moment .