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2.1 最弱受约束电子概念

价电子和实电子,外层电子和内层电子,前线电子和非前线电子,σ电子和π电子,这些概念已经被化学家和物理学家广为接受,并且被频繁地用于量子理论之中。相比之下,最弱受约束电子的概念受重视的程度就差得多了,更谈不上以它为核心概念去建立量子理论的问题。其实,这是因为至今对最弱受约束电子问题缺乏深入研究,因而对它的重要性、广泛性估计不足所致。在此,首先把最弱受约束电子概念引入到量子力学中来。

原子、分子都存在逐级电离的现象,因此,原子、分子的电离势定义 [1-2] 和逐级电离过程是人们所熟悉的。文献[1]中,自由粒子的电离势定义是这样表述的:自由粒子,如原子或分子,电离势可以定义为从基态粒子完全移走最弱受约束电子,以致生成的(正)离子也处于基态所需要的能量。由此,一个中性粒子的逐级电离所需要的能量分别称为该粒子的第一、第二、第三、……电离势。

该定义引出了最弱受约束电子(Weakest Bound Electron,WBE)和非最弱受约束电子(Non Weakest Bound Electron,NWBE)的概念。所谓最弱受约束电子,就是当前体系中和体系联系最弱的或和体系结合最松散的电子。因而,它是最容易被激发或被电离的电子,也是化学上最活泼的电子。而非最弱受约束电子,就是当前体系中和体系结合得比最弱受约束电子更紧密或牢固一些的电子,这些电子在当前体系发生电离时是不被电离的。对于将发生电离过程的当前体系,最弱受约束电子只有一个,而非最弱受约束电子数目则视当前体系总电子数目的多寡而有别。若当前体系总电子数目为1,即单电子体系,则只有一个最弱受约束电子,而没有非最弱受约束电子;若当前体系总电子数目为 N ,则当前体系的最弱受约束电子只有一个,而非最弱受约束电子有( N -1)个。

照此定义,单电子体系(如氢原子和类氢离子,氢分子离子)中唯一的一个电子,就是当前体系的最弱受约束电子;碱金属原子和类碱金属原子离子中处在闭壳层之外的那个价电子,也是当前体系的最弱受约束电子;非简并的、最高占单的分子轨道(HOMO)中的那个前线电子,也是当前体系的最弱受约束电子;受激原子、分子体系中处在最高激发能级上的那一个电子也是当前体系的最弱受约束电子。即便对于有多个价电子的原子或原子离子体系及有两个或两个以上等价电子占据最高轨道的分子或分子离子体系,在逐级电离、电子激发(非内层电子激发)和化学反应中,这些价层电子也是逐一成为最弱受约束电子被电离、被激发或参与化学反应。可见,最弱受约束电子无处不在,只是人们没有统一地冠之以“最弱受约束电子”之名而已。

再者,对单电子体系中的电子(也即WBE)的处理,在量子理论的建立过程中起着重要作用;对碱金属和类碱金属原子离子中唯一的价电子(也即WBE)的处理,在原子光谱学的发展和量子亏损理论的建立中有着重要的地位;“HOMO的能级相当于改变了符号的电离能,而LUMO能级的能量与改变了符号的电子亲和能相对应,或者说,‘密切相关’更正确些” [3] ,前线电子理论和HOMO-LUMO相互作用等概念对有机化学反应、立体选择现象,分子结构和静态性质的解释有着重要的意义;受激电子(也即WBE)的行为和能级跃迁、过渡态等直接相关;……由此可见,最弱受约束电子的概念和行为对物理、化学等自然科学是多么重要。

那么,最弱受约束电子的概念为什么在量子理论中没有受到应有的重视?可能有以下原因:①以为一个 N 电子原子、分子体系只有一个最弱受约束电子,因而最弱受约束电子概念不可能用来处理所有 N 个电子的问题。其实,这是一种误解。②没有找到划分 N 电子哈密顿算符为单个电子的哈密顿算符之和的合适的方法。③和如何表达全同粒子的不可区分性(indistinguishability)和电子具有可分离性(separability)的问题有关。 4ub8upUID6M6YXavX0fTOC1nkWLixBeAmbdsxg4ur4g3cmw3ihYc2yaQy1fkMmOd

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