物理學(xué)論文-分子軌道波函數(shù)相對(duì)論效應(yīng)的高分辨電子動(dòng)量譜學(xué)觀測(cè).doc

物理學(xué)論文-分子軌道波函數(shù)相對(duì)論效應(yīng)的高分辨電子動(dòng)量譜學(xué)觀測(cè)摘要:利用新研制的能量分辨為0.5eV的高分辨(e,2e)譜儀測(cè)量了CF3I分子在915eV能區(qū)的束縛能譜.新譜儀能較好地分辨該分子碘孤對(duì)軌道的自旋軌道劈裂組分5e3/2和5e1/2，并得到了它們各自的電子動(dòng)量分布以及分支比隨動(dòng)量的變化關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地顯示了5e3/2和5e1/2態(tài)波函數(shù)的相對(duì)論效應(yīng).這是第一個(gè)分子軌道波函數(shù)相對(duì)論效應(yīng)的直接實(shí)驗(yàn)觀測(cè).關(guān)鍵:詞自旋|軌道劈裂，電子動(dòng)量譜學(xué)，相對(duì)論效應(yīng)，CF3IExperimentalobservationofrelativisticeffectsontheelectronicwavefunctioninmoleculesCHENXiang|JunLIZhong|JunSHANXuXUEXin|XiaLIUTaoXUKe|Zun(HefeiNationalLaboratoryforPhysicalSciencesatMicroscaleandDepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China)AbstractBindingenergyspectraofCF3Iintheenergyrange9-15eVhavebeenmeasuredbyanewlydevelopedhighresolution(e,2e)spectrometerwith0.5eVenergyresolution.Thetwosplitspin|orbitcomponents5e3/2and5e1/2oftheiodinelone|pairorbitalhavebeenpartiallyresolvedandtheirindividualelectronmomentumdistributionsobtained,togetherwiththeirbranchingratioasafunctionofmomentum.Theexperimentalresultsclearlyrevealtherelativisticeffectsonthe5e3/2and5e1/2orbitalwavefunctions.Keywordsspin|orbitsplitting,electronmomentumspectroscopy,relativisticeffect,CF3I高Z原子和含有高Z原子的分子的相對(duì)論效應(yīng)一直吸引著人們的研究興趣13.相對(duì)論效應(yīng)主要包括動(dòng)能效應(yīng)和自旋-軌道耦合效應(yīng)，前者是由電子在近(重)核區(qū)域的高速運(yùn)動(dòng)引起的，而后者則是自旋和軌道相互作用的結(jié)果2.相對(duì)論效應(yīng)不僅會(huì)影響電子態(tài)的能量，使能級(jí)產(chǎn)生移動(dòng)和劈裂，也會(huì)影響電子態(tài)的波函數(shù).一般認(rèn)為價(jià)電子的相對(duì)論效應(yīng)可以忽略，因?yàn)閮?nèi)層電子對(duì)核有顯著的屏蔽作用，從而使得價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速.然而，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論方法的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到高Z原子和含有高Z原子的分子價(jià)電子的相對(duì)論效應(yīng)也相當(dāng)重要1,3.光電子能譜(photoelectronspectroscopy,PES)是研究相對(duì)論效應(yīng)最常用的實(shí)驗(yàn)方法之一，它通過(guò)測(cè)量光電子能譜的自旋-軌道劈裂能，以及測(cè)量自旋-軌道劈裂組分的分支比隨光子能量的變化關(guān)系等來(lái)研究相對(duì)論效應(yīng).此外，核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)和康普頓散射(Comptonscattering)等方法也可以通過(guò)測(cè)量相對(duì)屏蔽常數(shù)、康普頓輪廓等來(lái)探究相對(duì)論效應(yīng).電子動(dòng)量譜學(xué)(electronmomentumspectroscopy,EMS)作為一種可以獲得分立軌道動(dòng)量空間徑向電子密度分布的實(shí)驗(yàn)手段，在研究原子分子電子結(jié)構(gòu)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).Cook等人最先利用電子動(dòng)量譜學(xué)方法研究了相對(duì)論效應(yīng)對(duì)原子的電子波函數(shù)的影響4，雖然，他們當(dāng)時(shí)儀器的能量分辨(約1.6eV)不足以分開(kāi)氙離子的5p3/2和5p1/2雙重態(tài)(能量間隔約為1.3eV)，他們還是利用小心的剝譜步驟，獲得了5p3/2和5p1/2各自的電子動(dòng)量分布和分支比，結(jié)果與在平面波沖量近似下得到的相對(duì)論的Dirac-Fock計(jì)算結(jié)果相吻合，清楚而直接地顯示了相對(duì)論效應(yīng)對(duì)單電子波函數(shù)的影響.之后，F(xiàn)rost等人5在鉛的6p3/2和6p1/2自旋-軌道劈裂態(tài)中觀察到了類(lèi)似的結(jié)果.1991年，Bonfert等人6報(bào)道了相對(duì)論效應(yīng)對(duì)銀和金的K殼層（e,2e）三重微分截面的影響.2006年，Ren等人7報(bào)道了Xe原子內(nèi)層4d軌道的相對(duì)論效應(yīng).到目前為止，相對(duì)論效應(yīng)的電子動(dòng)量譜學(xué)研究工作非常少且均限于原子，尤其是相對(duì)論效應(yīng)明顯的原子內(nèi)層軌道.而傳統(tǒng)電子動(dòng)量譜儀的低能量分辨也限制了該方法的進(jìn)一步應(yīng)用.此外，尚未見(jiàn)到分子相對(duì)論效應(yīng)的電子動(dòng)量譜學(xué)研究的報(bào)道.2006年，我們研究組研制成功了一臺(tái)能量和角度都能多道同時(shí)測(cè)量的第三代高能量分辨的(e,2e)譜儀，譜儀的能量分辨達(dá)到了0.5eV.分辨能力的提高拓展了電子動(dòng)量譜學(xué)的研究領(lǐng)域.在本工作中，我們選取CF3I分子作為研究對(duì)象，前人的光電子能譜實(shí)驗(yàn)表明，該分子最高占據(jù)軌道(highestoccupiedmolecularorbital,HOMO)5e軌道電離能帶的自旋-軌道劈裂能為0.73eV，我們的新譜儀可以較好地分辨，從而得到不同自旋-軌道劈裂態(tài)的電子動(dòng)量分布.1高能量分辨(e,2e)譜儀的基本物理過(guò)程是電子碰撞的單電離，即(e,2e)反應(yīng).圖1是高能量分辨(e,2e)譜儀示意圖，譜儀采用不共面不對(duì)稱(chēng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)條件.電子槍產(chǎn)生的電子束經(jīng)單色化后由透鏡加速到E0=2500eV+束縛能，在反應(yīng)中心與氣體分子束碰撞，散射電子(Ea=2354eV)沿著1=14的極角進(jìn)入快電子分析器，并被兩維位置靈敏探測(cè)器探測(cè)，在較大的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快電子能量和方位角()的多道同時(shí)測(cè)量.電離電子(Eb=146eV)沿2=76的極角進(jìn)入慢電子分析器，并被一維位置靈敏探測(cè)器探測(cè)，在較大的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)慢電子能量的多道同時(shí)測(cè)量.在這樣的實(shí)驗(yàn)條件下，電子碰撞電離可以看作發(fā)生在入射電子和軌道電子之間，而將剩余離子實(shí)視為旁觀者，通過(guò)符合測(cè)量?jī)蓚€(gè)出射電子的能量和角度，由能量和動(dòng)量守恒，可以得到軌道電子的束縛能和動(dòng)量的大小，分別為f=E0-Ea-Eb，p=2pasinasin2.運(yùn)用平面波沖量近似(planewaveimpulseapproximation,PWIA)和靶Har