삼원자 수소
Triatomic hydrogen삼원자 수소 또는 H는3 수소만을 포함하는 불안정한 삼원자 분자다. 이 분자는 수소 원자 3개만 포함하고 있기 때문에 가장 단순한 3원자 분자로[1] 입자에 대한 양자역학 설명을 수치적으로 해결하는 것이 비교적 간단하다. 불안정한 상태에서는 분자가 100만분의 1초 안에 분열된다. 그것의 덧없는 수명은 그것을 드물게 만들지만, 그것은 삼수소 양이온의 공통성 덕분에 우주에서 꽤 흔하게 형성되고 파괴된다. 진동과 회전에 의한 H의3 적외선 스펙트럼은 이온 H와 매우 유사하다. 초기+
3 우주에서는 적외선을 방출하는 능력이 원시 수소와 헬륨 가스를 냉각시켜 별을 형성할 수 있게 했다.
포메이션
중성 분자는 저압 가스 방출 튜브에서 형성될 수 있다.[2]
H의3 중성 빔은 기체 칼륨을 통과하는 H 이온의+
3 빔으로 형성될 수 있는데, 이 빔은 전자를 이온에 기증하여 K를+ 형성한다.[3] 세슘과 같은 다른 기체 알칼리 금속도 전자를 기증하는데 사용될 수 있다.[4] H+
3 이온은 저압 분자 수소를 통해 전류가 통과하는 두 개의 소포플라스마트론에서 만들어질 수 있다. 이로 인해 일부 H는2 H가+
2 된다. 그러면 H2 + H+
2 → H + H+
3. 반응은 1.7 eV의 에너지로 발열성이 있으므로 생성되는 이온은 많은 진동 에너지로 뜨겁다. 만약 압력이 충분히 높다면, 이것들은 더 차가운 가스와의 충돌을 통해 식힐 수 있다. 이는 Franck-Condon 원리에 따라 중화했을 때 강하게 진동하는 이온이 강하게 진동하는 중성 분자를 생성하기 때문에 중요하다.[3]
헤어지다
H는3 다음과 같은 방법으로 헤어질 수 있다.
특성.
분자는 흥분된 상태에서만 존재할 수 있다. 서로 다른 흥분된 전자 상태는 주 양자수 n을 가진 외전자 nLRD에 대한 기호로 표현되며, L은 전자 각운동량, γ은3h D 그룹에서 선택한 전자 대칭이다. 코어의 진동을 나타내는 추가 브라켓 기호를 부착할 수 있다. {s,dl}은(는) 대칭 스트레치, d 퇴행 모드 및 l 진동 각도 운동량. 그러나 분자 회전을 나타내기 위해 다른 용어를 삽입할 수 있다: (N,G) 분자 축에 투영된 전자와 N 각 운동량을 구분한 G와 G=l+l-K에 의해 결정되는 Hougen의 편리한 양자 번호. 회전 상태는 모두 페르미온인 구성 입자에 의해 제한되기 때문에 종종 (1,0)이다. 이러한 상태의 예로는 2sA의1 3sA1' 2pA2' 3dE' 3dA1' 3pE' 3pA2'가 있다.[5] 2pA22" 상태는 수명이 700ns이다. 만약 분자가 에너지를 잃고 혐오스러운 땅 상태로 가려고 하면, 그것은 자연적으로 분해된다. 가장 낮은 에너지 측정 가능 상태인 2sA1'는 H 및+
3 e− 상태 아래의 에너지 -3.777 eV를 가지지만 약 1 ps로 분해된다.[5] 2pE로2 지정된 불안정한 지반 상태는 자연적으로 H2 분자와 H 원자로 분해된다.[1] 회전 없는 상태는 회전하는 분자보다 수명이 길다.[1]
주변에 전자가 소산된 삼수소 양이온의 전자 상태는 뤼드베르크 주이다.[6]
외부 전자는 높은 Rydberg 상태로 상승할 수 있으며, 에너지가2 2pA" 상태 위로 29562.6 cm에−1 도달하면 이온화가 가능하며, 이 경우+
3 H가 형성된다.[7]
모양
분자의 모양은 정삼각형으로 예측된다.[1] 진동은 두 가지 방법으로 분자 안에서 발생할 수 있는데, 첫째로 분자는 정삼각형을 유지한 채 팽창하고 수축할 수 있으며, 또는 한 개의 원자가 삼각형을 왜곡하는 다른 원자에 비해 이동할 수 있다. 벤딩 진동은 쌍극자 모멘트를 가지고 있어서 적외선 방사선과 결합한다.[1]
스펙트럼
게르하르트 헤르츠버그는 1979년 75세 때 처음으로 중성 H의3 분광선을 발견했다. 후에 그는 이 관찰이 그가 가장 좋아하는 발견들 중 하나라고 발표했다.[8] 그 선들은 음극 방출 튜브에서 나왔다.[8] 초기 관측자들이 H 스펙트럼3 라인을 볼 수 없었던 것은 훨씬 풍부한 H의2 스펙트럼에 밀려났기 때문이다. 중요한 진전은 H를3 분리하여 홀로 관측할 수 있도록 하는 것이었다. 분리는 양이온의 질량 분광분광 분리를 이용하므로 질량 3의 H는3 질량 2의 H로부터2 분리할 수 있다. 그러나 질량 3이 있는 HD로 인한 오염은 여전하다.[3] H의3 스펙트럼은 주로 장수 상태인 2pA로22 전환하기 때문이다. 스펙트럼은 2단계 광이온화 방법을 통해 측정할 수 있다.[1]
낮은 2sA21 상태로 떨어지는 전환은 사전 포섭이라고 불리는 그것의 매우 짧은 수명에 영향을 받는다. 관련된 스펙트럼 라인이 넓어진다.[3] 스펙트럼에는 P Q 및 R 분기와의 회전으로 인한 띠가 있다. R지점은 H3 동위원소체에는 매우 약하지만 D3(삼중수소)로 강하다.[3]
| 하급국 | 상위 전자 상태 | 호흡 진동 | 굽힘 진동 | 각 운동량 | G=λ+l2-K | 잠자리 cm−1[1] | 파장 å | 주파수 TZ | 에너지 eV |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2p2A2" | 3s2A1' | 0 | 0 | 16695 | 5990 | 500.5 | 2.069 | ||
| 3d2A" | 0 | 0 | 17297 | 5781 | 518.6 | 2.1446 | |||
| 3d2A1' | 0 | 0 | 17742 | 5636 | 531.9 | 2.1997 | |||
| 3p2E' | 1 | 1 | 18521 | 5399 | 555.2 | 2.2963 | |||
| 3p2A2" | 0 | 1 | 19451 | 5141.1 | 583.1 | 2.4116 | |||
| 3d2E' | 0 | 1 | 19542 | 5117 | 585.85 | 2.4229 | |||
| 3s2A1' | 1 | 0 | 19907 | 5023.39 | 596.8 | 2.46818 | |||
| 3p2E' | 0 | 3 | 19994 | 5001.58 | 599.48 | 2.47898 | |||
| 3d2E" | 1 | 0 | 20465 | 4886.4 | 613.524 | 2.5373 | |||
| 2s2A1' | 3p2E' | 14084 | 7100 | 422.2 | 1.746 | ||||
| 3p2A2" | 띠를 두르다 | 17857 | 5600 | 535 | 2.2 | ||||
| 3pA22" Q 분기 | 모두 겹쳐서 | 띠를 두르다 | 17787 | 5622 | 533 | 2.205 |
대칭 스트레치 진동 모드는 3sA21 레벨의 경우 3213.1 cm−1, 3dE의2 경우 3168 cm−1, 2pA의22 경우 3254 cm의−1 파장 번호를 가진다.[1] 벤딩 진동 주파수 또한 H의+
3 진동 주파수와 상당히 유사하다.[1]
레벨
| 전자 상태 | 주석을 달다 | 잠자리 cm−1[1] | 주파수 TZ | 에너지 eV | 인생 ns |
|---|---|---|---|---|---|
| 3d2A1' | 18511 | 554.95 | 2.2951 | 12.9 | |
| 3d2E" | 18409 | 551.89 | 2.2824 | 11.9 | |
| 3d2E' | 18037 | 540.73 | 2.2363 | 9.4 | |
| 3p2A2" | 17789 | 533.30 | 2.2055 | 41.3 4.1 | |
| 3s2A1' | 17600 | 527.638 | 2.1821 | 58.1 | |
| 3p2E' | 13961 | 418.54 | 1.7309 | 22.6 | |
| 2p2A2" | 장수 | 993 | 29.76 | 0.12311 | 69700 |
| 2p2A2" | 포식 | 0 | 0 | 0 | 21.8 |
| 2p2E' | 분열의 | −16674 | −499.87 | −2.0673 | 0 |
양이온
관련 H+
3 이온은 성간 공간에서 가장 보편적인 분자 이온이다. 그것은 광자를 쉽게 흡수하고 방출하는 능력을 통해 우주 역사상 초기 별들을 냉각시키는 데 결정적인 역할을 한 것으로 여겨진다.[9] 성간 공간에서 가장 중요한 화학반응 중 하나는 H+
3 + e → H이고−3, 그 다음 → H2 + H이다.[6]
계산
분자가 비교적 단순하기 때문에 연구자들은 양자 이론에서 아비니티오 분자의 성질을 계산하려고 시도했다. 하트리-포크 방정식이 사용되어 왔다.[10]
자연발생
H의+
3 중성화 과정에서 삼원자 수소가 형성될 것이다. 이 이온은 전자를 추상화할 수 있기 때문에 He나 H2 이외의 기체가 있을 때 중화될 것이다. 따라서 H는3 목성과 토성의 전리층에 있는 오로라에서 형성된다.[11]
역사
J. J. 톰슨은 양성 광선을 실험하는 동안 H를+
3 관찰했다. 그는 그것이 1911년경부터 이온화된 H형식이라고3 믿었다. 그는 H가3 안정된 분자라고 믿고 그것에 대해 쓰고 강의했다. 그는 그것을 만드는 가장 쉬운 방법은 음극선으로 수산화칼륨을 목표로 하는 것이라고 말했다.[8] 1913년 요하네스 스타크는 세 개의 수소핵과 전자가 안정된 고리 모양을 형성할 수 있다고 제안했다. 1919년 닐스 보어는 3개의 핵이 일직선으로 되어 있는 구조를 제안했는데, 3개의 전자가 중심핵을 중심으로 원을 그리며 선회하고 있다. 그는 H가+
3 불안정할 것이라고 믿었지만 H와+ H를−
2 반응시키면 H3. 스탠리 앨런의 구조가 중성적인 H. 스탠리 앨런의 구조는 전자와 핵이 교대로 이루어진 육각형 모양이었다.[8]
1916년 아서 뎀스터는 H3 가스가 불안정하다는 것을 보여주었지만, 동시에 cation이 존재한다는 사실도 확인했다. 1917년 제럴드 웬트와 윌리엄 듀아인은 알파 입자에 의한 수소 가스가 부피가 축소되는 것을 발견하고 이원자 수소가 3원자 수소로 전환된다고 생각했다.[8] 이 연구원들이 활성 수소가 삼원자 형태일 수 있다고 생각한 후에.[8] 조셉 레바인은 지구의 저압계가 대기 중 높은 3원자 수소 때문에 일어났다고 추정하기까지 했다.[8] 1920년 웬트와 랜다워는 오존과 그 물질이 정상 수소보다 더 반응하는 것을 유추하여 "하이존"이라고 명명했다.[12] 앞서 고트프리드 빌헬름 오산은 오존과 유사한 형태의 수소를 발견했다고 믿었는데, 이 수소를 "오존와세르스토프"라고 불렀다. 그것은 희석된 황산을 전기분해하여 만들어졌다. 그 당시에는 아무도 오존이 3원자라는 것을 알지 못했기 때문에 그는 3원자 수소를 발표하지 않았다.[13] 이것은 나중에 새로운 형태의 수소가 아닌 아황산가스와 혼합된 것으로 밝혀졌다.[12]
1930년대에 활성 수소는 황화수소 오염을 동반한 수소임이 밝혀졌고, 과학자들은 삼원자 수소에 대한 믿음을 접었다.[8] 양자역학적 계산에 따르면 중성3 H는 불안정하지만 이온화된+
3 H는 존재할 수 있다.[8] 동위원소의 개념이 생겼을 때, 보어 같은 사람들은 원자 무게 3을 가진 에카 수소가 있을지도 모른다고 생각했다. 이러한 생각은 나중에 삼중수소의 존재로 증명되었지만, 그것이 왜 질량 분광기에서 분자량 3이 관측되었는지에 대한 설명은 아니었다.[8] J. J. 톰슨은 나중에 그가 관찰한 분자량 3 분자가 중수소라고 믿었다.[13] 오리온 성운에서는 특히 원자량을 3에 가깝게 계산했을 때 새로운 원소인 에카 수소가 될 수 있는 성운에 기인하는 것이 관찰되었다. 나중에 이것은 이온화된 질소와 산소로 밝혀졌다.[8]
게르하르트 헤르츠베르크는 최초로 중성 H의3 스펙트럼을 관측했으며, 이 삼원자 분자는 자신의 지상 상태가 불안정한 곳에서 뤼드베르크 스펙트럼을 측정한 최초의 분자였다.[1]
참고 항목
- F. M. 데비엔, 삼원자 수소의 에너지 성질을 처음으로 연구한 사람 중 한 명
참조
- ^ a b c d e f g h i j k Lembo, L. J.; H. Helm; D. L. Huestis (1989). "Measurement of vibrational frequencies of the H3 molecule using two-step photoionization". The Journal of Chemical Physics. 90 (10): 5299. Bibcode:1989JChPh..90.5299L. doi:10.1063/1.456434. ISSN 0021-9606.
- ^ Binder, J.L.; Filby, E.A.; Grubb, A.C. (1930). "Triatomic Hydrogen". Nature. 126 (3166): 11–12. Bibcode:1930Natur.126...11B. doi:10.1038/126011c0. S2CID 4142737.
- ^ a b c d e Figger, H.; W. Ketterle; H. Walther (1989). "Spectroscopy of triatomic hydrogen". Zeitschrift für Physik D. 13 (2): 129–137. Bibcode:1989ZPhyD..13..129F. doi:10.1007/bf01398582. ISSN 0178-7683. S2CID 124478004.
- ^ Laperle, Christopher M; Jennifer E Mann; Todd G Clements; Robert E Continetti (2005). "Experimentally probing the three-body predissociation dynamics of the low-lying Rydberg states of H3 and D3". Journal of Physics: Conference Series. 4 (1): 111–117. Bibcode:2005JPhCS...4..111L. doi:10.1088/1742-6596/4/1/015. ISSN 1742-6588.
- ^ a b c 조타수 H. 외:중립 3원자 수소의 연속성 상태와 결합한 상태. 분리 재결합, 에드 S. Guberman, Kluwer Academic, Plenum Publishers, 미국, 275-288 (2003) ISBN 0-306-47765-3
- ^ a b Tashiro, Motomichi; Shigeki Kato (2002). "Quantum dynamics study on predissociation of H[sub 3] Rydberg states: Importance of indirect mechanism". The Journal of Chemical Physics. 117 (5): 2053. Bibcode:2002JChPh.117.2053T. doi:10.1063/1.1490918. hdl:2433/50519. ISSN 0021-9606.
- ^ Helm, Hanspeter (1988). "Measurement of the ionization potential of triatomic hydrogen". Physical Review A. 38 (7): 3425–3429. Bibcode:1988PhRvA..38.3425H. doi:10.1103/PhysRevA.38.3425. ISSN 0556-2791. PMID 9900777.
- ^ a b c d e f g h i j k Kragh, Helge (2010). "The childhood of H3 and H3+". Astronomy & Geophysics. 51 (6): 6.25–6.27. Bibcode:2010A&G....51f..25K. doi:10.1111/j.1468-4004.2010.51625.x. ISSN 1366-8781.
- ^ Shelley Littin (April 11, 2012). "H3+: The Molecule that Made the Universe". Retrieved 23 July 2013.
- ^ Defranceschi, M.; M. Suard; G. Berthier (1984). "Numerical solution of Hartree-Fock equations for a polyatomic molecule: Linear H3 in momentum space". International Journal of Quantum Chemistry. 25 (5): 863–867. doi:10.1002/qua.560250508. ISSN 0020-7608.
- ^ Keiling, Andreas; Donovan, Eric; Bagenal, Fran; Karlsson, Tomas (2013-05-09). Auroral Phenomenology and Magnetospheric Processes: Earth and Other Planets. John Wiley & Sons. p. 376. ISBN 978-1-118-67153-5. Retrieved 18 January 2014.
- ^ a b Wendt, Gerald L.; Landauer, Robert S. (1920). "Triatomic Hydrogen". Journal of the American Chemical Society. 42 (5): 930–946. doi:10.1021/ja01450a009.
- ^ a b Kragh, Helge (2011). "A Controversial Molecule: The Early History of Triatomic Hydrogen". Centaurus. 53 (4): 257–279. doi:10.1111/j.1600-0498.2011.00237.x. ISSN 0008-8994.
외부 링크
- C. H. 그린: "리드버그의 삼원자 수소 주"
- 용출성 H3 분자 GlusteeXD 2009 (유머)
- Ekesan, Solen; Kale, Seyit; Herzfeld, Judith (5 May 2014). "Transferable pseudoclassical electrons for aufbau of atomic ions". Journal of Computational Chemistry. 35 (15): 1159–1164. doi:10.1002/jcc.23612. PMC 4119322. PMID 24752384.
- Chakraborty, Romit, Mazziotti, 데이비드 A.(10월 5일 2015년)."그 일 전자의 구조가 파울리 배타 원리에서 밀도 행렬 줄이어".국제 저널 양자 화학의. 115(19):1305–1310. doi:10.1002/qua.24934.그 one-electron 밀도 행렬 볼록 세트를 순수한N-representable 세트의 경계에 고정되게 되었다.
- Saykally, Richard J. (2015). "Mid-IR laser action in the H 3 Rydberg molecule and some possible astrophysical implications". AIP Conference Proceedings. 1642 (1642): 413–415. Bibcode:2015AIPC.1642..413S. doi:10.1063/1.4906707. 초기3 우주에 H 레이저가 존재할 수 있다고 예측한다.
