СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРА РАЗМЕРОВ АТОМА Российский патент 2007 года по МПК G09B23/20 G01N15/14 B82B3/00 

Изобретение относится к физике, способам измерения физических величин, конкретно к нанометрологии и к атому как предмету и средству измерения.

Предложен способ определения из первых принципов значений физических радиусов атома в основном состоянии и в состояниях его положительных ионов, причем размеры атома как базовой ячейки наноструктур находят через его собственные спектроскопические параметры, характерные для каждого из указанных состояний атома.

Предложена атомная наношкала химического элемента.

Появилась возможность использовать атом как естественный одноатомный встроенный нанокалибр. В целом, точность линейных измерений в наномакромикроструктурах возрастает до точности спектроскопических измерений.

Приведены, например, атомные наношкалы для гелия и лития.

Описание изобретения

Уровень техники

Изобретение относится к технической физике и косвенным способам измерения физических параметров [как известно, применительно к (1, 2, стр.112) структура косвенных измерений включает три операции (I,II,III) - прямые измерения (операция I), расчет измеряемой величины как функции прямых измерений по известной формуле (операция II) и получение конечного результата косвенных измерений (операция III). При этом операции I и II для косвенных измерений абсолютно равнозначны, а именно нет конечного результата при отсутствии прямых измерений, так и нет ЕГО при отсутствии устойчивой физической закономерности (1) для определения конечных физических параметров] нанометрологии и может быть использовано для определения спектра значений физических радиусов атома в основном состоянии и в состояниях его положительных ионов через измеренные для этих состояний его спектроскопические характеристики.

В классической 5-томной физической энциклопедии размерам атома, основной структурной единице мироздания, отведено всего несколько строчек, где констатируется: «Размеры атома определяются размерами его электронной оболочки, не имеющей строго определенных границ, поэтому значения радиуса и объема атома зависят от способа их экспериментального определения» (1; 1, 146, т.е (источник; том, стр.), и далее утверждается: «Так как атомы не имеют четких границ при введении понятия <Атомный радиус>, подразумевают, что 90-98% электронной плотности атома заключено в сфере этого радиуса». Таковы основные итоги более чем 200-летней истории использования радиусов и геометрии атома в кристаллохимии, физике кристаллов и рентгеноструктурном анализе.

Эти результаты не удовлетворяют современным требованиям нанотехнологии и, в частности, нанометрологии в области точности измерения собственных физических размеров атома и точности линейных измерений в наномикромакроструктурах.

Иначе, в нанометрологии атом должен и имеет однозначные геометрические размеры как одно из его неотъемлемых физических свойств, определение которых и является сущностью настоящего изобретения.

Тем не менее имеются многочисленные именные системы атомных радиусов: Гольдшмидта, Полинга, Белова и Бокия, Бацианова, Аренса, Захариазена, Ягоды, Кордесса, Ван-дер-Ваальса (7; 81). Известны эмпирические, теоретико-эмперические (3) и даже абсолютные радиусы атомов и ионов (16), или эффективные (8; 301).

Разработаны мощные математические методы, например, А.Хартри и Фока. Однако, в целом, все указанные системы и методы не дают адекватных природе результатов и могут рассматриваться только как приближенные решения. При этом системы Гольдшмидта (4; 22), Полинга (4; 39), Белова и Бокия (5; 138, 181, 284, 355) выбираются в качестве аналогов и имеют принципиальные, отмеченные в начале раздела недостатки. Дополнительно, указанные системы в ряде случаев носят субъективный характер, например, при выборе «реперного» значения атомного радиуса иона. Произвольно допущение, что для одноименных атомов 2R=d, где d - ближайшее межъядерное расстояние в кристалле, определенное с высокой точностью в результате рентгеноструктурного анализа. Также определяются атомные радиусы не всех возможных положительных ионов. Тем не менее, в качестве прототипа выбираем систему Белова и Бокия (5; 138, 181, 284, 355), которая, естественно, имеет недостатки систем аналогов, но в источнике (5) представлены обзорные и сравнительные данные по другим аналогам. Наиболее полный библиографический список первоисточников представлен в источнике (16).

В итоге, насколько важен атом в наноструктурах, настолько не однозначны, а то и противоречивы имеющиеся данные о его геометрии и размерах.

Раскрытие изобретения.

Очевидно, что является объективно-актуальной и требует решения прикладная инженерно-техническая задача определения спектра значений физических радиусов атома в основном состоянии и в состояниях его положительных ионов, например AI; AII; AIII для лития и т.д., для всех химических элементов периодической системы. При этом I, или II; или III, или z - спектроскопический символ (1; 14, 624). При этом значения физических радиусов атомов в основном состоянии сопоставляются с металлическими атомными радиусами прототипа (5; 284), а значениям физических радиусов атома в состояниях его положительных ионов соответствуют имеющиеся в прототипе атомные радиусы положительных ионов (5; 138).

Предлагается способ определения значения радиуса атома по его физическим спектроскопическим параметрам, а именно энергии, потенциалу ионизации или оптическому пределу (Eiz) (6; 68), (14; 125) и энергии, потенциалу возбуждения (Efz) последней чувствительной резонансной линии спектра (1; 4,313), (2; 99), (2; 409), (9; 753).

При этом сущность изобретения реализуется в устойчивой физической закономерности как технический результат определения спектра значений физических (размеров) радиусов атома в основном состоянии и в состояниях его положительных ионов через указанные, измеренные, сректроскопические параметры по формуле

где R - радиус атома,

z - спектроскопический символ,

Ei - энергия, потенциал ионизации или оптический предел,

Ef - энергия, потенциал возбуждения последней, чувствительной резонансной линии спектра,

n - целое число как физическая характеристика стоячей волны внешнего электрона атома или иона,

(0,5); (-1) - показатель степени,

^ - знак степени.

Формула [1] базируется на мировой физической константе - радиусе Бора как первом принципе. В формуле [1] целое число n для каждого состояния атома химического элемента выбирают из ряда целых чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, причем для определения приближенного значения n для какого-либо состояния атома химического элемента используют соответствующие известные атомные радиусы известных систем Белова и Бокия, или/и Полинга, или/и Гольдшмидта, или/и Ван-дер-Ваальса.

В формуле [1] численные значения коэффициента а соответствуют а=0,489, для значений энергии в электронвольтах и радиуса в ангстремах, или а=0,9226 для значений энергии в электронвольтах и радиуса в относительных боровских единицах.

В формуле [1] выражение, заключенное в квадратные скобки, а именно:

[а(Eiz)^(0.5)(Eiz-Efz)^-1)], постулируют как физический боровский радиус атома химического элемента.

В формуле [1] Eiz; Efz находят по результатам информационного поиска как ранее измеренные или/и эксперимента, как измеренные в настоящем или будущем времени.

По формуле [1] определяют значения физических радиусов атома.

По формуле [1] формируют спектр значений радиусов атома химического элемента на каком-либо носителе как атомную наношкалу этого элемента.

По формуле [1] находят спектры значений радиусов собственных или/и допинг атомов наноструктуры как существенные характеристики особенностей ее наногеометрии.

В целом достигнут основной технический результат: определен спектр значений радиусов атома как одна из его однозначных физических характеристик и обеспечена высокая точность определения наноразмеров наномикромакроструктур с величиной погрешности порядка погрешности спектроскопических измерений.

Осуществление изобретения

Спектроскопический способ определения спектра значений физических радиусов атома в основном состоянии и в состояниях его положительных ионов, идентифицируемых соответствующими спектроскопическими символами, указанные размеры аналогичны для одноименного атома в системе Белова и Бокия, в частности, его металлическому радиусу и атомным радиусам его положительных ионов, отличается тем, что с целью обеспечения высокой точности определения наноразмеров в наномикромакроструктурах с величиной погрешности порядка погрешности спектроскопических измерений и формирования атомной наношкалы каждого химического элемента определяют спектр физических размеров атома как совокупность значений его физических радиусов в основном состоянии и в состояниях его положительных ионов через соответствующие каждому из этих состояний измеренные спектроскопические параметры по формуле [1].

В качестве примеров определим спектры значений радиусов лития и гелия.

Пример 1.

Исходные и конечные данные для лития:

Состояния атомаAIAIIAIIIисточникПотенциалы ионизации5,39 эВ75,6 эВ122,4 эВ(8; 419)Длина волны последней чувствительной линии6707,8 Å  (9; 756)То же 199,28 Å (8; 661)То же  135 Å (8; 661)Вариант n633 Значения Rz по [1]1,93 Å0,9536 Å0,5317 Å Радиус Ван-дер-Ваальса (эксперимент)1,82 Å  (17)Радиус лития АН 0,94 Å (1; 1,157)Боровские радиусы лития0,3206 Å0,3179 Å0,1771 Å 

В результате определены физические радиусы лития AI, AII, AIII, которые в совокупности (11; 70) образуют его наношкалу. Наношкала лития может использоваться для анализа наноструктур и наносистем, а также при формировании одноатомных и многоатомных естественных нанокалибров и решения других задач нанометрологии.

Пример 2. Исходные и конечные данные для гелия:

Состояние атомаAIAIIисточникПотенциалы ионизации24,59 эВ54,42 эВ(6)Длина волны последней чувствительной линии584,33 Å (8; 661)То же 303,78 Å(8; 661)Вариант n22 Значения Rz по [1]1.441 Å0,5306 Å Радиус Ван-дер-Ваальса (эксперимент)1,4 Å (17)Боровские радиусы гелия0,7205 Å0,2653 Å 

В итоге определены физические радиусы гелия AI, AII, которые в совокупности (11; 70) образуют его наношкалу, которую используют в анализе и синтезе особенностей наноструктур, непосредственно относящихся к их размерам.

Пример 3. (Определение исходных данных для Li и Yb).

Спектроскопический способ определения физических исходных данных, например (Efz), включает общепринятые и общеизвестные приемы, операции, процедуры со строгой последовательностью их выполнения.

Набор технических средств, в том числе автоматизированных, определяется в основном диапазоном, областью предстоящих измерений (ультрафиолетовая, оптическая, инфракрасная, рентгеновская).

Для решения поставленной задачи выбирают следующую отечественную технику с необходимыми источниками возбуждения спектра, диспергирующими спектральными и приемно-регистрирующими блоками, вспомогательными элементами и устройствами.

В частности, используют оптико-электронные приборы, специальные установки и комплексы, например УМ-2, ИСП-30, МФС-8, ДФС-26, Квант 2А; с источниками возбуждения спектра: лампы ДР и ДРГС-12, газовые горелки, ИВС-28, УГЭ-4 и ПРИМА; электроды из чистого железа типа Армко, графитовые специально заточенные электроды, а также регистрирующие устройства, фотопластинки спектральные или фотоэлектронные кассеты с ПЗС; спектропроектор ДСП-1; атлас спектральных линий элементов; фотохимикаты; светофильтры и другие вспомогательные элементы и устройства.

Процедуры, операции и последовательность спектрального анализа:

а) выбор измерительной системы или измерительного комплекса;

б) юстировка измерительной системы;

в) градуировка измерительной системы;

г) выбор пробы химического, металлургического или минералогического происхождения и ее классификация методами качественного и количественного химического анализа;

д) подготовка пробы: измельчение (порошковые пробы), растворение (жидкие пробы) или изготовление стержней (стержневые пробы);

е) введение подготовленной пробы в источник излучения (испаритель);

ж) преобразование сплошного спектра пробы в линейчатый дискретный спектр при помощи диспергирующих устройств (специальные призмы, дифракционные решетки, изогнутые кристаллы);

з) выведение каждой дискретной линии спектра пробы на оптическую ось измерительной системы и регистрация этой линии на фоне спектра градуировки системы или визуальное ее наблюдение через окуляр оптической системы;

и) расшифровка дискретных спектров пробы с помощью градуировочных спектров и графиков с применением спектропроекторов и использованием атласов и таблиц спектральных линий химических элементов;

к) визуальные наблюдения отдельных линий дискретных спектров пробы расшифровываются снятием показаний, например, со шкалы градуированного барабана поворота призмы прибора типа УМ-2.

1. Определяют исходные данные для Li I.

Используют оптический прибор типа YM-2 и лампу ДР как источник с известным спектром ртути, ацетиленовую горелку с устройством загрузки порошковой пробы, светофильтры. На шасси прибора УМ-2 со стороны входной щели устанавливают лампу ДР, задают величину входной щели, юстируют оптическую систему, включая визуальный окуляр. Используют градуировочный спектр ртутной лампы:

Градуируют прибор УМ-2: используют иглу в окуляре последовательно, выводят на оптическую ось линии градуировочного спектра с характерной окраской и однозначно сопоставляют эти линии с делениями (углом поворота) мерного барабана прибора для поворота диспергирующей призмы. В качестве пробы выбирают минерал криолитонит, наиболее богатый литием. Готовят порошковую пробу: измельчают минерал в лабораторных мельницах или в специальных ступках с помощью пестика. Демонтируют лампу ДР и на это место крепят ацетиленовую горелку, зажигают горелку, загружают порошковую пробу, совмещают иглу в окуляре с характерной линией спектра Li I, снимают с мерного барабана прибора УМ-2 значение измеренной последней чувствительной резонансной линии лития - 6707,9 ангстрем, что соответствует Efz=1,8486 электронвольт.

2. Определяют исходные данные Yb I.

Используют прибор типа ИСП-30 с диафрагмой, источник возбуждения спектра, железные и графитовые электроды, фотопластинки и фотохимикаты, спектропроектор ДСП-1. В качестве пробы используют порошки мишметалла, обогащенного иттербием, которые имеют паспорта химической лаборатории. Включают прибор в работу. Используют железные (Fe-Fe) электроды - получают на фотопластинке градуировочный, опорный спектр железа. Контролируют примеси (чистоту) графитовых электродов - фиксируют спектр (С-С). Загружают пробы в кратер графитного электрода, при помощи диафрагмы фотографируют спектры анализируемого порошка встык с опорным спектром железа (Fe). Проявляют фотопластинки. Устанавливают фотопластинки в правое приемное окно спектропроектора, левое закрывают шторкой. Сравнивают спектр пробы на фоне опорного спектра железа с планшетами образцового спектра железа, которые имеют шкалу длин волн и отметки аналитических линий многих химических элементов (AI и AII). Выполняют спектроскопический анализ ряда проб различного состава, определяют по шкале длин волн мерного планшета значение измеренной последней чувствительной резонансной линии YbI-3988 ангстрем, что соответствует Efz=3,1093 электронвольт (чувствительность линии 0,001%). При этом на мерном планшете 19 (чертеж) видно, что указанная, измеренная последняя чувствительная резонансная линия иттербия в основном состоянии на указанном планшете отсутствует, равно как и в других общедоступных источниках.

Пример 4. (Определение наноразмера кристаллической структуры для различных фазовых состояний иттербия.)

Исходные данные: информационный поиск Eiz=6,22 эВ (7); Eiz=6,2539 эВ (источник 6); Eiz=6,26 эВ (8); Eiz=6,25 эВ (14), точность измерения 0,64%. Выбирают величину потенциала ионизации иттербия 6,26 эВ.

Измеренная последняя чувствительная резонансная линия (пример 3) равна 3988 Ангстрем, что соответствует Efz=3,1093 эв. Для целого n=5 значение радиуса иттербия в основном состоянии [Rz] (конечные данные по [1]) - 1,9415 Ангстрем. Используют собственный измеренный атом иттрия в качестве средства измерения, определяют наноразмеры его кристаллических структур. При этом фазовое состояние I с а (оцк)=1,9415×2/0,866=4,4838 ангстрем (при температуре плавления). Фазовое состояние II с а (гцк)=1,9415×2/0,707=5,4922 ангстрем (при температуре фазового перехода), что соответствует из общедоступных данных (7) а (гцк)=5,4862 ангстрем с точностью 0,1% (фазовый переход I-II) и а (оцк)=4,44 ангстрем с точностью 0,99% (при этом температура ниже точки плавления).

В итоге, предложенный метод определения наноразмеров наномикромакроструктур конкурентоспособен с рентгеноструктурными измерениями, если они возможны в наномикромакроструктурах.

Источники информации

1. Физическая энциклопедия в 5-и томах./Под редакцией А.М.Прохорова, Сов. энциклопедия, M. 1968.

2. А.Н.Филиппов. Спектральный анализ, ОНТИ, 1937.

3. В.М.Гольдшмидт. Кристаллохимия, ОНТИ, 1936.

4. О.Гассель. Кристаллохимия, ОНТИ, 1936.

5. Г.Б.Бокий. Кристаллохимия, Наука, M., 1971.

6. А.А.Радциг, В.М.Смирнов. Справочник по атомной и молекулярной физике, Атомиздат, M., 1980.

7. Физико-химические свойства элементов. Справочник под редакцией Г.В.Самсонова, Киев, 1965.

8. Таблицы физических величин. Справочник под редакцией И.К.Кикоина, Атомиздат, М., 1976.

9. А.Н.Зайдель и др. Таблицы спектральных линий, Наука, M., 1969.

10. А.Р.Стриганов, Г.А.Одинцова. Таблицы спектральных линий атомов и ионов, Атомиздат, M., 1982.

11. Азик Азимов. Язык науки, Амфора, С.-П. 2002.

12. Политехнический словарь. Советская энциклопедия, М., 1980.

13. Толковый физический словарь. Русский язык, М., 1987.

14. Лидин и др. Справочник по неорганической химии, Химия, М. 1987.

15. Энциклопедический словарь металлургии в 2-х томах./Под редакцией Н.П.Лякишева, Интермет Инжиниринг, М., 2000.

16. Dulal C.Chosh and Raka Biswas. Theoretical Calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1, 2.Int.J.Mol.Sci 2002, 3, 87-113 and 2003, 4, 379-407.

17. Периодическая система www.webelements.com

18. NIST: http.V/phvsics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/element-name/htm

19. Э.А.Маныкин и др. Конденсированное ридберговкое вещество, журнал Природа №1, 2001. http/vivoco.nns.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_01/RID ERG.HTM

Спектроскопический способ определения спектра размеров атома заключается в том, что определяют спектр размеров атома как совокупность значений его радиусов в основном состоянии и в состояниях его положительных ионов через соответствующие каждому из этих состояний измеренные спектроскопические параметры Eiz и Efz по формуле Rz=[a(Eiz)^(0.5)(Eiz-Efz)^(-1)]n, где R - радиус атома, z - спектроскопический символ, Ei - энергия, потенциал ионизации или оптический предел, Ef - энергия, потенциал возбуждения последней, чувствительной резонансной линии спектра, n - целое число из ряда 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, (0,5); (-1) - показатель степени, ^ - знак степени, а=0,489, для значений энергии в электронвольтах и радиуса в ангстремах, или а=0,9226 для значений энергии в электронвольтах и радиуса в относительных боровских единицах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Спектроскопический способ определения спектра размеров атома, заключающийся в том, что определяют спектр размеров атома как совокупность значений его радиусов в основном состоянии и в состояниях его положительных ионов через соответствующие каждому из этих состояний измеренные спектроскопические параметры Eiz и Efz по формуле

Rz=[а(Eiz)^(0,5)(Eiz-Efz)^(-1)] n,

где R - радиус атома;

z - спектроскопический символ;

Ei - энергия, потенциал ионизации или оптический предел;

Ef - энергия, потенциал возбуждения последней, чувствительной резонансной линии спектра;

n - целое число из ряда 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7;

(0,5); (-1) показатель степени;

^ - знак степени;

а=0,489 для значений энергии в электронвольтах и радиуса в ангстремах или а=0,9226 для значений энергии в электронвольтах и радиуса в относительных боровских единицах.