原子团簇的稳定结构和幻数-引言.ppt

原子团簇的稳定结构和幻数 引言 Page ? * 目录 幻数 Mackay 二十面体 氦 团 簇 幻 数 原子中的电子状态和原子核中的核子状态,具有幻数特征(即壳层结构) 。它是与对称性和相互作用势密切相关的。由原子构成的团簇具有类似的特征,在质谱分析中,含有某些特殊原子数目的团簇,其强度呈现峰值,表明这些团簇特别稳定,所含的原子数目称之为“幻数”。 团簇的幻数序列与构成团簇的原子键合方式有关。一般地说,金属键来源于自由价电子,半导体有取向共价键,碱金属卤化物为离子键,而惰性元素原子间的结合是范德瓦尔斯键。 幻 数 Page ? * 幻 数 在正常温度T T0 时,团簇内粒子的位置序占主导地位。这也是大多数惰性元素原子构成团簇所具备的特征。另一方面,由于电子质量轻( me～10 - 27克) ,简并温度可高达T0～104 K。因而以电子系统行为占主导因素的团簇就会反映动量序或波序的特征,明显地表现出量子力学效应。 两类不同序(位置序和动量序) 的特征在团簇的壳层结构和幻数序列上表明出来。 Page ? * 幻 数 图1 给出XeN 簇的质谱,其质量丰度 随团簇尺寸逐渐下降,但在 N = 13 、19 、25 、55 、71 、87和147 等处出现显著增强,然后突然下降, 表明含有这些原子数目的团簇特别稳定。 称之为“幻数”,它与原子按壳层堆积的 方式(原子位置) 有关。 Page ? * 幻 数 图2 是绝热超声膨胀法产生 金属钠团簇的质谱。 其中N = 8 、20 、40 、58 和92等 处出现峰值,而比它们多1 个原子的 团簇质量丰度则大大减弱, 故视之为NaN 的幻数。 Page ? * 　Mackay 二十面体 Ne（氖 ）、Ar（氩） 、Kr （氪）和Xe（氙） 等惰性元素原子构成的团簇,位置序起主导作用。它们的幻数比较接近,但不同的实验结果存在差异。 图1 是Echt 等人用超声喷注加冷凝的方法使惰性元素Xe 产生中性原子簇,然后用30 eV 的脉冲电子束轰击电离后进行质谱分析得到的。 图2 是尺寸范围在N = 10 和N = 90 间的Ar 团簇质谱 。虽然这个谱存在更精细的结构,但其中N = 13 、19 、23 、55 、71 、81 和87 等峰值与图1 中的XeN 团簇相同。 Page ? * Mackay 二十面体 根据Harris 的半定量模型可假定质谱分布所出现的结构是在喷射使团簇长大停止后的蒸发过程中形成的。用n ( N′, E) 来描述热团簇的分布,即单位体积中总能量在E～ E + d E 范围内含有N 个原子的团簇( N--原子团簇) 的数目。 Page ? * Mackay 二十面体 采用数值方法,从随机位形出发寻找每个尺寸下的最佳位形,求出相邻两团簇结合能之差ΔE b (N) = E b (N) – E b (N - 1) ,得到ΔE(N) 的变化曲线,如图4 所示,给出的幻数是N = 7 、10 、13 、19 、23 、26 、32 、34 和55 ,不仅可解释XeN 中N = 13 、19 和55 等的幻数,而且也给出了ArN 质谱中N = 23 、26 、29 、32 和34 等处的峰。 图5 给出N =7 、13 、19 和55 等的最佳稳定构形。N = 7 构成以五角锥形, N = 13 是正二十面体,具有5 次对称轴的对称性, N = 19 可由双二十面体套接而成, N = 55 是具有两层满壳层的二十面体,而N = 147 则是含有第三满壳层的二十面体,又称Mackay二十面体。 Page ? * Mackay 二十面体 Page ? * Mackay 二十面体 Echt 等还在实验上证实ArN 和XeN 存在n= 4 、5 、6 的幻数309 、561 和923 (如图6) 以及在KrN 团簇上出现N = 147 和309 的幻数 Page ? * 　氦 团 簇 用超声膨胀的电子电离研究4HeN 和3HeN 团簇所得到的质谱示于图7。4He+N 谱出现的峰值是在N = 7 、10 、14 、23 和30 处,而3He+N 的峰值是在N = 7 、10 、14 、21 和30 处。虽然在图4 (a) 的计算中已得到N = 7 和10 的两个幻数,但谱中其它峰值与计算结果相差较大,尤其是不存在满足二十面体N = 13 等的幻数。 Page ? * 氦 团 簇 Page ? * 氦 团 簇