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本文对Li<,n>(n=2—5)原子团簇的形成机理和结合能进行了理论研究和计算。提出了这些原子团簇的形成机理,并利用苟清泉教授提出的改进的排列通道量子力学(Modified Arrangement Channel Quantum Mechanics,MACQM)方法,通过自编程序对这些团簇的结合能进行了计算,取得了满意的结果。
当一个Li原子与另一个Li原子相互作用时,由于两个2s轨道电子在两个Li原子之间来回运动形成共价键,从而结合成具有较强结合能的Li<,2>分子。根据此成键机理,利用排列通道量子力学方法计算的Li<,2>基态的能量曲线在核间距R=5.05a处,能量有极小值-14.88937a.u.,由此得到Li<,2>基态结合能为0.0333a1.u.,每个原子的平均结合能是0.453eV,实验所得的核间距为5.05a<,0>,结合能为0.0386a.u.两者符合得很好。
在对正三角形结构L厶原子团簇的研究过程中,考虑到三个锂原子是等价的,所以任意两个原子之间的成键几率是相同的。在某一瞬间,A<,1>(e<,1>,e<,2>e<,3>)原子,其中e<,1>、e<,2>是1s轨道上的两个电子,巳是2s轨道上的价电子,与A瓴,岛,%)原子,其中幺、民是1s轨道上的两个电子,e<,6>是2s轨道上的价电子,形成共价键,另一瞬间,A<,2>(e<,4>,e<,5>,e<,6>)与A<,3>(e<,7>,e<,8>,e<,9>),其中e<,7>、e<,8>是1s轨道上的两个电子,e<,9>是2s轨道上的价电子,形成共价键。同样,A<,3>(e<,7>,e<,8>,e<,9>)和A<,1>(e<,1>,e<,2>,e<,3>)在某一瞬间也能形成共价键。这样,通过三个原子的三个价电子,可以不断地、往复地在两两原子之间形成共价键。利用MACQM方法,将体系划分为三个通道来进行计算,得到体系的总能量与以核间距R为变量的能量曲线。其结果表明,在R=5.82a<,0>处,体系能量有极小值-22.33860a.u.,其结合能是0.054508a.u.,每个原子的平均结合能为0.494eV,这说明通过Li<,3>团簇中三个原子之间较强的结合力,能形成边长R=5.82a<,0>的稳定的正三角形结构。在对Li<,4>团簇的研究过程中,提出四个Li原子能够形成正四面体结构的物理模型,利用MACQM方法,把Li<,4>正四面体结构划分为六个通道进行计算,得到了正四面体结构的Li<,4>,团簇的能量曲线和结合能。其结果显示,当中心原子核与四个顶角原子核间距为14.50a<,0>时,体系能量有一极小值-29.8279a.u.,从而得到其结合能为0.1158a.u.,每个原子的平均结合能是0.7878eV。
在对Li团簇的研究过程中,提出五个Li原子能够形成正四面体中心结构的物理模型,利用MACQM方法,把Li<,5>正四面体中心结构划分为四个通道进行计算,得到了正四面体中心结构的Li<,5>团簇的能量曲线和结合能。其结果显示,当中心原子核与四个顶角原子核间距为14.50a<,0>时,体系能量有一极小值-37.2562a.u.,从而得到其结合能为0.1161a.u.,每个原子的平均结合能是0.632eV。
本文计算结果表明,从Li<,2>原子团簇到Li<,5>原子团簇,原子团簇体系的结合能逐渐增大,团簇的体积也逐渐递增。这些结果将为我们进一步探讨金属原子团簇的形成机理和金属键的本质奠定了基础。