原子团族的稳定结构和幻数-物理学进展.PDFVIP

一 [}’ 第 20卷 第 1期 物 理 学 进 展 Vo1．20．No．1 2000年 3月 PRoGRESS IN PHYSICS M ar．20o0 文章缩号 ：1000-0542(2000)01-0052—41 原子 团簇的稳定结构和幻数 6乙、I (南京太学 固体徽结构物理国家重点实验室 南京 210093) 摘 要：原子团簇介于原子分子和宏观凝聚物质之间，一般产生于非平衡条件．其结构和性 质雒所古原子数 目而变化。当音有某些特 定原子效时，团簇 特别稳定，这就是 “幻 鼓 本文 重点讨论几种典型团簇 的幻数及其演变规律，说明。幻数”是团簇 的基本jI性之一及其与甓合 方式的关系。 关键词：墨王冒墓；曼塑 一 ≮约 中圉分类号 ： 04 文献标识码： A O 引 言 原子中的电子状态和原子核中的核子状态，具有幻数特征 (即壳层结梅)。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，所舍的原子数 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。 团簇的形成通常经历了冷却过程，因而其结构会 出现某些有序化的特征。位置序和 动量序分别是经典粒子和 deBroglie波的特征。在团簇形成过程中究竟哪一种序 占主要 地位，要看粒子间距 n是否达到德布罗嵌波长 =^／m 的量级，h是普 朗克常数，m 是 粒子质量， 是粒子速度。舍粒子动能 — ／2等于平均热能 3R日T／2，用筒并温度 r0来 表征温度的界限，粗略估计为 r≤ ； (1) 茗团簇内的原子间距n为3A原子质量约为质子质量I．6×10一“克乘以核子总数A，得 到 T016OK／A。于是，在正常温度 rTo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 (m ～l0 克)，简并温度可高达 To~10K。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 。 收稿 日期 ：2000-01·l0 基金项 目：国家 自然科 学基金赞助 1期 王广厚 ：原子 团簇 的稳定结构和幻散 萄 萝 圉 1 ]ten团簇质谱 ”。数字标明处为 幻敫括号 内的数字蛤出强度稍弱 圉2 (a)团簇 hⅣ实验测量的丰度谱 【 的峰．曲线下面的数字是理论分 (b)理论计算能量二级差分 析的结果 42(N)随团簇尺寸 的变化 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。图 1给出 xeN簇的质谱 【l】，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．表明古有这些原子数 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。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 簇质量丰度则太大减弱，故视之为 NaN的幻数。这些幻数是不能用原子堆积的模型来解 释的．它们与钠价电子在有效势阱中运动具有壳层结构的特征有关。本文 以几