Ридберг молекулалары: құрылымы, қасиеттері және спектроскопиялық зерттеулер
Rydberg molecule
Рыдберг молекуласы – электрондық күйге көтерілген химиялық түйін. Құрамы, қасиеттері, спектроскопиялық талдауы және сутегі атомымен байланысы туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Ридберг молекуласы – электрондық тұрғыдан қозуға ие химиялық түр. Электрондық қозуға ие молекулалық күйлер, әдетте, электрондық қозуға ие атомдық күйлерден өзгеше болады. Дегенмен, әсіресе жоғары электрондық тұрғыдан қозуға ие молекулалық жүйелер үшін, иондық ядроның қозуға ие электронмен өзара әрекеттесуі, сутек атомындағы протон мен электрон арасындағы өзара әрекеттесудің жалпы сипаттарын қабылдауы мүмкін. Бұл күйлердің спектроскопиялық сәйкестендірілуі швед физигі Иоганнес Ридбергтің есімімен аталатын Ридберг формуласына сәйкес келеді және олар молекулалардың Ридберг күйлері деп аталады. Ридберг қатарлары иондық ядродан электронды ішінара алып тастаумен байланысты. Әр Ридберг энергиясының қатары белгілі бір иондық ядролық конфигурацияға байланысты иондану энергиясының шегіне жиналады. Бұл квантталған Ридберг энергия деңгейлері квазиклассикалық Бор атомдық моделімен байланысты болуы мүмкін. Иондану энергиясының шегіне жақындаған сайын, бас квант саны артады, ал шектік Ридберг күйлері арасындағы энергия айырмасы кішірейеді. Электронды Ридберг қатарындағы жоғары энергия деңгейіне көтеру арқылы электронның иондық ядродан кеңістіктегі ауытқуы артады және жүйе Бордың квазиклассикалық моделіне көбірек ұқсайды. Төмен бас квант санына ие молекулалардың Ридберг күйлері молекуланың басқа қозуға ие электрондық күйлерімен өзара әрекеттесе алады. Бұл энергияның өзгерісіне әкелуі мүмкін. Молекулалық Ридберг күйлерін сәйкестендіру көбінесе Ридберг қатарын аралықтан жоғары бас квант санына дейін бақылауды қамтиды. Ридберг күйлерінің энергиясын Ридберг формуласына кванттық кемшілік деп аталатын түзетуді қосу арқылы нақтылауға болады. Кванттық кемшілік түзетуін тараған иондық ядроның болуымен байланыстыруға болады. Молекулалық Ридберг күйлерін тәжірибелік зерттеу бірнеше буын бойы дәстүрлі әдістермен жүргізілді. Алайда, лазерлік әдістердің дамуы, мысалы, резонанстық иондау спектроскопиясы, осы Ридберг молекулаларына аралық заттар ретінде салыстырмалы түрде оңай қол жеткізуге мүмкіндік берді. Бұл, әсіресе, резонанстық күшейтілген көп фотонды иондау (REMPI) спектроскопиясы үшін дұрыс, өйткені көп фотонды процестер бір фотонды процестерден өзгеше таңдау ережелерін қамтиды. Жоғары бас квант санына ие Ридберг күйлерін зерттеу бірқатар спектроскопиялық әдістерді тудырды. Бұл "шектік Ридберг күйлеріне жақын" күйлер ұзақ өмір сүруі мүмкін, әсіресе иондық ядромен күшті өзара әрекеттеспейтін жоғары орбиталық бұрыштық импульс күйлері үшін. Ридберг молекулалары конденсацияланып, Ридберг материясының кластерлерін құра алады, олар деқозуға қарсы ұзақ өмір сүреді. Дигелий (He2*) – алғашқы белгілі Ридберг молекуласы.
A Rydberg molecule is an electronically excited chemical species. Electronically excited molecular states are generally quite different in character from electronically excited atomic states. However, particularly for highly electronically excited molecular systems, the ionic core interaction with an excited electron can take on the general aspects of the interaction between the proton and the electron in the hydrogen atom. The spectroscopic assignment of these states follows the Rydberg formula, named after the Swedish physicist Johannes Rydberg, and they are called Rydberg states of molecules. Rydberg series are associated with partially removing an electron from the ionic core. Each Rydberg series of energies converges on an ionization energy threshold associated with a particular ionic core configuration. These quantized Rydberg energy levels can be associated with the quasiclassical Bohr atomic picture. The closer you get to the ionization threshold energy, the higher the principal quantum number, and the smaller the energy difference between near threshold Rydberg states. As the electron is promoted to higher energy levels in a Rydberg series, the spatial excursion of the electron from the ionic core increases and the system is more like the Bohr quasiclassical picture. The Rydberg states of molecules with low principal quantum numbers can interact with the other excited electronic states of the molecule. This can cause shifts in energy. The assignment of molecular Rydberg states often involves following a Rydberg series from intermediate to high principal quantum numbers. The energy of Rydberg states can be refined by including a correction called the quantum defect in the Rydberg formula. The quantum defect correction can be associated with the presence of a distributed ionic core. The experimental study of molecular Rydberg states has been conducted with traditional methods for generations. However, the development of laser based techniques such as Resonance Ionization Spectroscopy has allowed relatively easy access to these Rydberg molecules as intermediates. This is particularly true for Resonance Enhanced Multiphoton Ionization (REMPI) spectroscopy, since multiphoton processes involve different selection rules from single photon processes. The study of high principal quantum number Rydberg states has spawned a number of spectroscopic techniques. These "near threshold Rydberg states" can have long lifetimes, particularly for the higher orbital angular momentum states that do not interact strongly with the ionic core. Rydberg molecules can condense to form clusters of Rydberg matter which has an extended lifetime against de excitation. Dihelium (He2*) was the first known Rydberg molecule.
Басқа түрлері
2009 жылы Штутгарт университетінің зерттеушілері Ридберг молекуласының басқа түрін жасады. Онда Ридберг атомы мен негізгі күйдегі атом арасындағы өзара әрекеттесу жаңа байланыс түріне әкеледі. 18 микросекунд бойы өмір сүрген молекуланы құру үшін екі рубидий атомы қолданылды. 2015 жылы Оклахома университетінің зерттеушілері «трилобит» Ридберг молекуласын байқады. Бұл молекула 2000 жылы теориялық тұрғыда болжамдалды және цилиндрлік координаттарда бейнеленген кезде трилобит пішініне ұқсайтын электрондық тығыздық таралуымен сипатталады. Бұл молекулалардың өмір сүру ұзақтығы ондаған микросекундқа жетеді, ал электрлік дипольдық моменттері 2000 Дебайға дейін. 2016 жылы Кайзерслаутерн технологиялық университеті мен Пердью университетінің ынтымақтастығымен «көбелек» Ридберг молекуласы байқалды. Көбелек Ридберг молекуласы – Ридберг атомы мен негізгі күйдегі атомның әлсіз жұптасуы болып табылады, ол Ридберг электроны мен негізгі күйдегі атом арасындағы шашыраудағы пішіндық резонанс арқылы күшейтіледі. Бұл атомдық байланыстың жаңа түрі 2002 жылы теориялық тұрғыда болжамдалды және электрондық тығыздық таралуымен сипатталады, ол көбелек пішініне ұқсайды. Дәстүрлі емес байланыс механизмі салдарынан, көбелек Ридберг молекулалары әр түрлі байланыс ұзындықтарында бірнеше дірілдеу негізгі күйлері және 500 Дебайдан асатын алып дипольдық моменттер сияқты ерекше қасиеттерді көрсетеді.
In 2009, a different kind of Rydberg molecule was finally created by researchers from the University of Stuttgart. There, the interaction between a Rydberg atom and a ground state atom leads to a novel bond type. Two rubidium atoms were used to create the molecule which survived for 18 microseconds. In 2015, a 'trilobite' Rydberg molecule was observed by researchers from the University of Oklahoma. This molecule was theorized in 2000 and is characterized by an electron density distribution that resembles the shape of a trilobite when plotted in cylindrical coordinates. These molecules have lifetimes of tens of microseconds and electric dipole moments of up to 2000 Debye. In 2016, a butterfly Rydberg molecule was observed by a collaboration involving researchers from the Kaiserslautern University of Technology and Purdue University. A butterfly Rydberg molecule is a weak pairing of a Rydberg atom and a ground state atom that is enhanced by the presence of a shape resonance in the scattering between the Rydberg electron and the ground state atom. This new kind of atomic bond was theorized in 2002 and is characterized by an electron density distribution that resembles the shape of a butterfly. As a consequence of the unconventional binding mechanism, butterfly Rydberg molecules show peculiar properties such as multiple vibrational ground states at different bond lengths and giant dipole moments in excess of 500 debye.