Дигидрогенный катион или молекулярный ион водорода представляет собой катион (положительный ион ) с формулой H+
2. Он состоит из двух ядер водорода ( протонов ), каждый из которых делит один электрон . Это простейший молекулярный ион .
Ион может быть образован в результате ионизации нейтральной молекулы водорода ( H
2) электронным ударом. Обычно образуется в молекулярных облаках в космосе под действием космических лучей .
Катион дигидрогена представляет большой исторический, теоретический и экспериментальный интерес. Исторически он представляет интерес, поскольку, имея только один электрон, уравнения квантовой механики , описывающие его структуру, могут быть решены приближенно относительно простым способом, если пренебречь движением ядер и релятивистскими и квантово-электродинамическими эффектами. Первое такое решение было получено О. Буррау в 1927 году [1] всего через год после публикации волновой теории квантовой механики.
Теоретический интерес возникает, поскольку точное математическое описание, учитывающее квантовое движение всех составляющих, а также взаимодействие электрона с полем излучения, является осуществимым. Точность описания неуклонно улучшалась на протяжении более полувека, в конечном итоге приведя к теоретической структуре, позволяющей делать сверхточные предсказания для энергий вращательных и колебательных уровней в основном электронном состоянии, которые в основном являются метастабильными.
Параллельно экспериментальный подход к изучению катиона претерпел фундаментальную эволюцию по сравнению с более ранними экспериментальными методами, использовавшимися в 1960-х и 1980-х годах. Используя передовые методы, такие как захват ионов и лазерное охлаждение, вращательные и колебательные переходы можно исследовать в чрезвычайно тонких деталях. Соответствующие частоты переходов можно точно измерить, а результаты можно сравнить с точными теоретическими предсказаниями. Другой подход к прецизионной спектроскопии основан на охлаждении в криогенной магнитоэлектрической ловушке ( ловушке Пеннинга ); здесь движение катионов охлаждается резистивно, а внутренняя вибрация и вращение затухают за счет спонтанного излучения. Затем можно точно изучать переходы электронного спинового резонанса.
Эти достижения превратили дигидрогенные катионы в еще одно семейство связанных систем, имеющих значение для определения фундаментальных констант атомной и ядерной физики, после семейства атомов водорода (включая водородоподобные ионы ) и семейства атомов гелия . [2]
Склеивание в H+
2может быть описана как ковалентная одноэлектронная связь , которая имеет формальный порядок связи, равный половине. [3]
Энергия основного состояния иона составляет -0,597 Хартри . [4]
Длина связи в основном состоянии составляет 2,00 радиуса Бора .
Катион дигидрогена имеет шесть изотопологов . Каждое из двух ядер может быть одним из следующих: протон (p, наиболее распространенный), дейтрон (d) или тритон (t). [5] [6]
Приближенное описание катиона дигидрогена начинается с пренебрежения движением ядер — так называемое приближение зажатых ядер. Это хорошее приближение, поскольку ядра (протон, дейтрон или тритон) более чем в 1000 раз тяжелее электрона. Поэтому сначала рассматривается движение электрона для заданного (произвольного) расстояния ядро-ядро R. Вычисляется электронная энергия молекулы E , и вычисление повторяется для различных значений R. Энергия отталкивания ядро-ядро e 2 /(4 π ε 0 R ) должна быть добавлена к электронной энергии, в результате чего получается полная молекулярная энергия E tot ( R ).
Энергия E является собственным значением уравнения Шредингера для одного электрона. Уравнение может быть решено относительно простым способом из-за отсутствия отталкивания электронов ( электронной корреляции ). Волновое уравнение ( частное дифференциальное уравнение ) разделяется на два связанных обыкновенных дифференциальных уравнения при использовании вытянутых сфероидальных координат вместо декартовых координат. Аналитическое решение уравнения, волновая функция , поэтому пропорционально произведению двух бесконечных степенных рядов . [7] Численную оценку ряда можно легко выполнить на компьютере. Аналитические решения для собственных значений электронной энергии также являются обобщением функции Ламберта W [8] , которое может быть получено с использованием системы компьютерной алгебры в рамках экспериментального математического подхода.
В учебниках по квантовой химии и физике связывание молекулы в основном электронном состоянии обычно рассматривается с помощью простейшего возможного анзаца для волновой функции: (нормализованной) суммы двух волновых функций водорода 1s, центрированных на каждом ядре. Этот анзац правильно воспроизводит связывание, но численно неудовлетворителен.
Ранние попытки лечения H+
2с использованием старой квантовой теории были опубликованы в 1922 году Карелом Ниссеном [9] и Вольфгангом Паули , [10] а в 1925 году Гарольдом Юри . [11]
Первая успешная квантово-механическая обработка H+
2была опубликована датским физиком Эйвиндом Буррау в 1927 году [1] , всего через год после публикации волновой механики Эрвином Шредингером .
В 1928 году Лайнус Полинг опубликовал обзор, объединивший работу Бурро с работой Вальтера Гайтлера и Фрица Лондона по молекуле водорода. [12]
Полное математическое решение проблемы электронной энергии для H+
2в приближении зажатых ядер было предоставлено Уилсоном (1928) и Джаффе (1934). Джонсон (1940) дает краткое изложение их решения,. [7]
Электронное волновое уравнение Шредингера для молекулярного иона водорода H+
2с двумя фиксированными ядерными центрами, обозначенными A и B , и одним электроном можно записать как
где V — электронно-ядерная кулоновская потенциальная энергия:
и E — (электронная) энергия данного квантово-механического состояния (собственного состояния), с функцией электронного состояния ψ = ψ ( r ) в зависимости от пространственных координат электрона. Аддитивный член 1/Р , который является постоянным для фиксированного межъядерного расстояния R , был исключен из потенциала V , поскольку он просто смещает собственное значение. Расстояния между электроном и ядрами обозначены r a и r b . В атомных единицах ( ħ = m = e = 4 π ε 0 = 1) волновое уравнение имеет вид
В качестве начала координат мы выбираем среднюю точку между ядрами. Из общих принципов симметрии следует, что волновые функции можно охарактеризовать их поведением симметрии относительно операции инверсии точечной группы i ( r ↦ − r ). Существуют волновые функции ψ g ( r ), которые симметричны относительно i , и существуют волновые функции ψ u ( r ), которые антисимметричны относительно этой операции симметрии:
Суффиксы g и u происходят от немецких gerade и ungerade ), встречающиеся здесь, обозначают поведение симметрии при операции инверсии точечной группы i . Их использование является стандартной практикой для обозначения электронных состояний двухатомных молекул, тогда как для атомных состояний используются термины четный и нечетный . Основное состояние (низшее состояние) H+
2обозначается X 2 Σ+
г[13] или 1sσ g и это gerade. Существует также первое возбужденное состояние A 2 Σ+
ты(2pσ u ), что является неопределенным.
Асимптотически (общие) собственные энергии E g / u для этих двух самых низких состояний имеют одинаковое асимптотическое разложение по обратным степеням межъядерного расстояния R : [14] [15]
Это и энергетические кривые включают межъядерный член 1/R . Фактическая разница между этими двумя энергиями называется расщеплением обменной энергии и определяется как: [16]
который экспоненциально исчезает по мере увеличения межъядерного расстояния R. Главный член 4/е Re − R впервые получено методом Холстейна–Херринга . Аналогично асимптотические разложения по степеням 1/Р были получены в высоком порядке Cizek et al. для десяти нижних дискретных состояний молекулярного иона водорода (случай зажатых ядер). Для общих двухатомных и многоатомных молекулярных систем обменная энергия, таким образом, очень неуловима для расчета на больших межъядерных расстояниях, но тем не менее необходима для дальнодействующих взаимодействий, включая исследования, связанные с магнетизмом и эффектами обмена зарядами. Они имеют особое значение в физике звезд и атмосферы.
Энергии для самых низких дискретных состояний показаны на графике выше. Их можно получить с произвольной точностью с помощью компьютерной алгебры из обобщенной функции Ламберта W (см. уравнение (3) на этом сайте и ссылку [8] ). Первоначально они были получены численными методами с двойной точностью с помощью самой точной из доступных программ, а именно ODKIL. [17] Красные сплошные линии — это 2 Σ+
гсостояния. Зеленые пунктирные линии — это 2 Σ+
тысостояния. Синяя пунктирная линия — это состояние 2 Π u , а розовая пунктирная линия — это состояние 2 Π g . Обратите внимание, что хотя обобщенные решения собственных значений функции Ламберта W заменяют эти асимптотические разложения, на практике они наиболее полезны вблизи длины связи .
Полный гамильтониан H+
2(как и для всех центросимметричных молекул) не коммутирует с операцией инверсии точечной группы i из-за эффекта ядерного сверхтонкого гамильтониана. Ядерный сверхтонкий гамильтониан может смешивать вращательные уровни электронных состояний g и u (называемое орто - пара -смешиванием) и вызывать орто - пара -переходы. [18] [19]
После получения функции энергии E tot ( R ) можно вычислить квантовые состояния вращательного и колебательного движения ядер и, таким образом, молекулы в целом. Соответствующее «ядерное» уравнение Шредингера представляет собой одномерное обыкновенное дифференциальное уравнение, где расстояние между ядрами R является независимой координатой. Уравнение описывает движение фиктивной частицы с массой, равной приведенной массе двух ядер, в потенциале E tot ( R )+ V L ( R ), где второй член представляет собой центробежный потенциал, обусловленный вращением с угловым моментом, описываемым квантовым числом L . Собственные энергии этого уравнения Шредингера представляют собой полные энергии всей молекулы, электронную плюс ядерную.
Приближение Борна-Оппенгеймера не подходит для описания катиона дигидрогена с достаточной точностью, чтобы объяснить результаты прецизионной спектроскопии.
Полное уравнение Шредингера для этого катиона, без приближения зажатых ядер, намного сложнее, но тем не менее может быть решено численно по существу точно с использованием вариационного подхода. [20] Таким образом, одновременное движение электрона и ядер обрабатывается точно. Когда решения ограничиваются орбиталью с самой низкой энергией, получаются энергии и волновые функции вращательных и вращательно-колебательных состояний. Численная неопределенность энергий и волновых функций, найденных таким образом, пренебрежимо мала по сравнению с систематической ошибкой, вытекающей из использования уравнения Шредингера, а не принципиально более точных уравнений. Действительно, уравнение Шредингера не включает в себя всю соответствующую физику, как известно из проблемы атома водорода. Более точные трактовки должны учитывать физику, которая описывается уравнением Дирака или, еще точнее, квантовой электродинамикой. Наиболее точные решения вращательно-колебательных состояний находятся путем применения теории нерелятивистской квантовой электродинамики ( NRQED ). [21]
Для сравнения с экспериментом требуются различия в энергиях состояний, т.е. частоты переходов. Для переходов между вращательно-колебательными уровнями , имеющими малые вращательные и умеренные колебательные квантовые числа, частоты были рассчитаны с теоретической дробной неопределенностью приблизительно8 × 10−12 . [21] Дополнительный вклад в неопределенность предсказанных частот возникает из-за неопределенностей фундаментальных констант , которые являются входными данными для теоретических расчетов, особенно из соотношения массы протона и массы электрона.
Используя сложный формализм ab initio, можно также точно вычислить сверхтонкие энергии, см. ниже.
Благодаря своей относительной простоте дигидрогенный катион является молекулой, которая изучена наиболее точно, в том смысле, что теоретические расчеты ее энергетических уровней соответствуют экспериментальным результатам с наивысшей степенью согласованности.
В частности, спектроскопически определенные чистые вращательные и вращательно-колебательные частоты перехода конкретного изотополога HD + согласуются с теоретически вычисленными частотами перехода. Четыре высокоточных эксперимента дали сравнения с общими неопределенностями между2 × 10 −11 и5 × 10−11 , дробно. [22] Уровень согласия на самом деле не ограничен ни теорией, ни экспериментом , а скорее неопределенностью текущих значений масс частиц, которые используются в качестве входных параметров для расчета.
Для измерения частот переходов с высокой точностью спектроскопия дигидрогенного катиона должна была проводиться в особых условиях. Поэтому ансамбли ионов HD + были захвачены в квадрупольной ионной ловушке в условиях сверхвысокого вакуума, симпатически охлаждены ионами бериллия, охлажденными лазером , и исследованы с использованием особых спектроскопических методов.
Сверхтонкая структура гомоядерного изотополога H 2+ была тщательно и точно измерена Джеффертсом в 1969 году. Наконец, в 2021 году теоретические расчеты ab initio смогли предоставить количественные детали структуры с меньшей неопределенностью, чем у экспериментальных данных.1 кГц . Некоторые вклады в измеренную сверхтонкую структуру были теоретически подтверждены на уровне приблизительно50 Гц . [23]
Следствием этих соглашений является то, что можно вывести спектроскопическое значение отношения массы электрона к приведенной массе протона-дейтрона, m e / m p + m e / m d , которое является входом в теорию ab initio. Отношение подобрано таким образом, что теоретические предсказания и экспериментальные результаты согласуются. Неопределенность полученного отношения сопоставима с неопределенностью, полученной из прямых измерений массы протона, дейтрона, электрона и HD + с помощью циклотронного резонанса в ловушках Пеннинга .
Дигидрогенный ион образуется в природе при взаимодействии космических лучей и молекулы водорода. Электрон отрывается, оставляя катион позади. [24]
Частицы космических лучей обладают достаточной энергией, чтобы ионизировать множество молекул, прежде чем остановиться.
Энергия ионизации молекулы водорода составляет 15,603 эВ. Высокоскоростные электроны также вызывают ионизацию молекул водорода с пиковым сечением около 50 эВ. Пиковое сечение ионизации для высокоскоростных протонов составляет70 000 эВ с поперечным сечением2,5 × 10−16 см 2. Протон космических лучей при более низкой энергии также может оторвать электрон от нейтральной молекулы водорода , образовав нейтральный атом водорода и дигидрогенный катион ( p + + H 2 → H + H+
2) с пиковым сечением около8000 эВ8 × 10−16 см 2 . [ 25]
В природе ион разрушается путем реакции с другими молекулами водорода:
В лаборатории ион легко получить путем бомбардировки электронами из электронной пушки.
Искусственная плазменная разрядная ячейка также может производить ион. [ необходима цитата ]