книги из ГПНТБ / Харт Э. Гидратированный электрон
.pdfГ Л А В А 3
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИДРАТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОНА
|
Электроны в различной степени претерпевают |
сольватацию |
||||
во |
всех |
жидкостях. |
В |
иеполярных жидкостях, |
образованных |
|
атомами или молекулами с замкнутыми электронными |
оболочка |
|||||
ми |
(Не, |
Ne, Ar, Н 2 ), |
электронно-атомные и электронно-молеку |
|||
лярные |
взаимодействия |
слабые. Ближиедействующие |
силы от |
талкивания между квазисвободным электроном и связанными электронами частично компенсируются дальнодействующими по ляризационными силами. В полярных жидкостях наряду с эти
ми |
взаимодействиями |
существуют значительно |
превосходящие |
|
их |
ближиедействующие |
силы отталкивания |
между электроном |
|
и средой, которые ориентируют молекулы |
растворителя вокруг |
|||
электрона и тем самым |
вызывают образование |
«полости». |
В этой главе дана сводка физических свойств сольватированных электронов, образующихся в жидкой воде, льду, аммиаке и в меньшей степени других полярных жидкостях. Естественно, что физические свойства всех таких сольватированных элект
ронов аналогичны. То, что после открытия |
[462] и идентифика |
|
ции [300] электрона, сольватированного в |
аммиаке (s^H), |
о |
нем было накоплено большое число данных, очень помогло нам сделать выводы о структуре e~q. Следует также отметить ана логию между свойствами е~ и F-центров, а также захваченных ejr и подвижных е~ электронов во льду. Однако подробного обзора по этим вопросам здесь нет и рассматриваются только те особенности, которые полезны для понимания природы и свойств е~д. В этой главе основное внимание уделяется ре зультатам, полученным при изучении спектров поглощения, спектров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и из мерениях электропроводности. Обсуждаются также термодина мические свойства е~ , его размеры и, наконец, его структура,
основанная на нескольких предложенных моделях.
З.і. СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ
Из материала, изложенного в гл. 2, видно, что изучение спектров поглощения сыграло важную роль в идентификации е~ как второго восстановителя в облученной воде. Эта иден-
50
тификация была основана на сходстве интенсивного короткоживущего спектра поглощения е~д со спектром поглощения ej^H j , а также на том, что указанное поглощение исчезает в присутст
вии некоторых растворенных веществ |
(особенно СЬ, N 2 0 и СО2). |
После 1962 г. о спектре поглощения |
е~ и сольватированных |
электронов было накоплено много новых сведений. Как будет видно из дальнейшего, спектр е~ зависит от свойств окружаю щей среды, так же как и спектры других сольватированных электронов.
Сопоставление со спектрами других сольватированных электронов
Сольватированные электроны имеют одиночные, интенсив ные, бесструктурные полосы поглощения, простирающиеся от ультрафиолетовой в инфракрасную область. Примеры таких спектров приведены на рис. 3.1—3.8.
Сопоставление |
некоторых |
оптических |
свойств е^ Н з |
с е ~ |
в |
жидкой воде и льду сделано в табл. 3.1 |
[240]. |
|
|
||
Спектры поглощения этих частиц показаны на рис. 3.1, где |
|||||
дана зависимость молярного коэффициента экстинкции |
от энер |
||||
гии (эв) и длины |
волны (нм). |
Считается |
общепризнанным, |
что |
Т а б л и ц а 3.1
Оптические свойства некоторых сольватированных электронов
|
Условия |
опыта и |
|
ч |
|
|
|
|
||
свойства электронов |
|
|
|
|
e N H 3 |
|||||
Растворитель |
°С |
|
|
н 2 о |
Н 2 0 |
Н 2 0 |
10 M NaOH |
NH 3 |
||
Температура, |
|
|
25 |
— 194 |
—10 |
—194 |
—48 |
|||
Максимум |
поглощения, |
|
715 |
630 |
680 |
586 |
1400 |
|||
нм* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Максимум |
поглощения, |
|
1,73 |
1,97 |
1,82 |
2,12 |
0,885 |
|||
эв* |
|
|
|
|
|
1,85 |
1,7 |
— |
1,9 |
5 |
Вмакс . |
І 0 * |
М-1-СМ-1* |
|
|||||||
hi |
|
|
эв/град |
|
|
—2,9 |
— |
- 1 , 1 |
— |
- 1 , 1 |
d—, К ) - 3 |
|
|
||||||||
аТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полуширина, |
эв* |
|
|
0,93 |
0,29 |
0,61 |
0,98 |
0,46 |
||
Сила |
осциллятора |
|
|
0,71 |
— |
— |
- 0 , 7 |
0,77 |
||
me/m0 |
ф » |
|
|
|
|
1,58 |
— |
— |
— |
1,87 |
me/m0 |
* * * |
|
|
|
1,00 |
— |
— |
— |
1,72 |
|
|
|
|
|
|
||||||
Выход, |
е~/100 эв |
|
|
2,7 |
2 - Ю - 4 |
0,3 |
1,9—3,0 |
• — |
||
|
* |
Данные взяты |
из-рис. 3 . 1 . |
|
|
|
|
|||
• * |
См. (Ьормулу |
(3 . 2) , |
стр . |
79. |
|
|
|
|
||
* * * |
См. формулу |
( 3 . 3 ) , |
стр . |
79. |
|
|
|
|
4* 51
эти широкие асимметричные полосы возникают в результате
перехода |
электрона |
из основных |
1 s-состояний |
в |
возбужденные |
|||||||||||||
2 р-состояния [269, |
273, |
274, |
361]. Эти |
|
спектры |
поглощения |
||||||||||||
обладают |
многими |
свойствами, |
характерными |
для |
|
спектров |
||||||||||||
f-центров |
[90]. Для |
аммиака, |
воды, |
чистого |
и щелочного |
льдов |
||||||||||||
|
|
|
|
|
Рис. 3.1. Спектры поглощения соль- |
|||||||||||||
|
|
|
Л,нм |
ватированиых |
и |
захваченных элект |
||||||||||||
|
|
|
ронов в аммиаке, воде, кристалличе |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
ском |
льду |
и |
стеклообразном |
10 M |
|||||||||
|
|
|
|
|
растворе КОН. Спектры в кристалли |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
ческом |
льду |
(при —10° С) |
и |
Н 2 0 |
|||||||||
|
|
|
|
|
(при |
25° С) |
получены |
методом им |
||||||||||
|
|
|
|
|
пульсного |
|
радиолиза. Молярный ко |
|||||||||||
|
|
|
|
|
эффициент |
экстинкцни |
е |
(е^Г ) |
Д л я |
|||||||||
|
|
|
|
|
кристаллического |
|
льда |
|
вычислен в |
|||||||||
|
|
|
|
|
предположении, |
что |
сила |
осциллято |
||||||||||
|
|
|
|
|
ра для ej~r равна 0,65. |
|
При 313° С |
|||||||||||
|
|
|
|
|
коэффициент экстинкцни е (е^ ) при |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
Ariane |
|
произвольно |
принят |
равным |
|||||||||
|
|
|
|
|
5000 М - ' - сиі - 1 : |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
/ — спектр |
в NH] при —48° С [206]; 2 — Н-О |
||||||||||||
|
|
|
|
|
при |
25° С |
|!84, |
239]: |
3 — 10 /И КОН |
при |
||||||||
|
|
|
|
|
- 1 9 4 ° С |
[176]; |
4 — Н 2 |
0 |
при |
|
—194° С |
Г1691; |
||||||
|
|
|
|
|
5 — Н 2 |
0 |
при —10° С |
[3541; |
6 — НзО |
при |
||||||||
|
|
|
|
|
313° С |
|
[337]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
максимумы полос лежат |
соответственно |
|
при |
1400, 715, |
630 и |
586 нм. Интенсивность полос быстро возрастает со стороны низ
ких |
энергий, спад ее со стороны высоких энергий происходит |
||
более медленно. Положение |
максимума полосы £ ( А , м а К с ) |
явля |
|
ется |
мерой разности энергий |
основного и возбужденного |
состоя |
ний. Ширина полосы определяет относительное смещение ос новного и возбужденного состояний и служит мерой несвязан ности возбужденного состояния [263].
При ?ь<210 нм е~ , по-видимому, имеет вторую полосу по
глощения, положение А-макс которой |
не установлено [353]. Эта |
|||
полоса |
аналогична ß-полосе /-"-центров [152, 153]. Она, вероятно, |
|||
вызывается сдвигом в красную часть |
спектра |
фундаментальной |
||
полосы |
поглощения жидкой |
воды, |
который |
обусловлен е~ . |
В других жидкостях подобная |
полоса пока не наблюдалась. |
Независимость от способа генерации
Спектр е^ Н з не зависит от способа генерации электрона. Все щелочные и некоторые щелочноземельные металлы окрашивают аммиак в интенсивный синий цвет, и соответствующие спектры в основном идентичны. Найдено, что при облучении жидкого ам миака возникает оптический спектр поглощения, который также сходен со спектром е^н3 ' обсуждавшимся выше [128, 412]. По-
52
скольку в этом случае щелочной металл отсутствовал, то на
блюдавшаяся окраска |
принадлежит исключительно |
е^Н а . Одна |
||
ко |
при импульсном радиолизе |
жидкого аммиака |
исчезновение |
|
е^н |
имеет начальную |
быструю |
стадию, за которой |
следует вто |
рая, гораздо более медленная стадия. Быстрая реакция проте
кает |
по закону |
второго порядка с константой скорости |
0,1 X |
|
Х І О 1 0 ^ ! - 1 • сект1. |
Поскольку |
в растворах натрия в аммиаке |
||
очень |
стабилен, |
высказывалось |
предположение, что е~, |
возни |
кающий при облучении, исчезает в реакции с другими актив ными частицами, образующимися вместе с ним (возможно, с NH+ и NH2 ) [413] *.
Спектр е~, подобно спектру е^И з , не зависит от способа ге
нерации [239]. На |
рис. 3.2 приведены |
спектры поглощения |
е~ |
||
в диапазоне К =220-^1 ООО нм, |
которые |
нормированы |
условием, |
||
что е = 1,85 • 104 М~] |
• смгх при |
720 нм |
[183, 210, 214, |
226, |
285, |
352, 360]. Согласно указанным работам, форма кривой погло щения не зависит от величины pH. Как видно из рис. 3.2, она
одинакова |
при |
р Н = 7 , 11 и 12. Недавно |
было |
показано, что |
она |
||||
не |
изменяется |
даже в 0,75 M растворе |
HCIO4 |
[108]. |
|
|
|||
|
При ?і>300 нм спектры идентичны независимо от |
того, |
сня |
||||||
ты |
ли они |
через 1 или 10 мксек |
после |
прохождения |
импульса |
||||
электронов |
или |
рентгеновского |
излучения. |
Спектр |
в области |
||||
А,<300 нм |
осложняется влиянием |
примесей |
и других |
продуктов |
радиолиза (например, ОН, Н 2 0 2 , Н 0 2 , 0 2 ) . Однако эту труд ность удалось преодолеть, проводя опыты по импульсному радиолизу с использованием щелочных растворов, насыщенных во дородом под давлением [184].
Спектр е~ , возникающих при радиолизе в результате иони зации молекул воды, совпадает со спектром е~, генерирован ных из атомов водорода. Как видно из рис. 3.2, изменение вели
чины pH не оказывает влияния на спектр: он |
одинаков |
как в |
|
0,01 и. растворе NaOH, насыщенном Н2 , так и |
в |
нейтральной |
|
воде. В первом случае примерно половина e~q |
возникает |
в ре |
|
зультате ионизации молекул воды, а остальная |
их |
часть — по |
|
реакции |
|
|
|
Н + О Н - - e - 4 - H A |
|
|
(3.1) |
и даже после того, как первоначально образовавшиеся е~ ис чезали с образованием атомов H, а последние вновь трансфор мировались в е~ , спектр оставался неизменным.
Подтверждение гипотезы о том, что структура е~ не за-
* Подробно свойства es в облученном жидком аммиаке исследованы в работах: Хайкин Г. И,. Жигунов В. А., Долин П. И. «Химия высоких энер гий», 1971, 5, 54, 84; 1972, 6, 149; «Докл. АН СССР», 1972, 202, 144.—
Прим. ред.
53
висит от способа его образования, может быть получено также на основании данных о его реакционной способности. Для не которых случаев, обсуждаемых в последующих главах, пока
зано, что скорость |
реакций |
е~ не |
зависит от |
pH, |
если |
только |
|||||||
при этом структура среды не изменяется. С |
помощью |
метода |
|||||||||||
конкурирующих |
акцепторов |
было |
показано, |
кроме того, что |
|||||||||
2,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
V |
|
|
|
|
1,5- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
• |
|
|
|
|
|
|
* |
в |
|
|
У |
|
|
|
|
|
- |
|
|
' |
/ |
• |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\\ |
|
|
|
0,5\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ш |
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
_ |
|
I |
|
1 |
|
|
1 |
j |
\нм |
|
||
400 |
600 |
|
300 |
|
|||||||||
Рис. 3.2. Спектры поглощения e^q .^полученные |
раз |
|
|||||||||||
личными |
способами: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
X — |
0,5 M |
NajCOa |
[226]; А |
— № 0 |
[2851; Ш — 0.001 н. |
NaOH + |
|
||||||
+0,7 |
мМ Hi Г2101; |
• — 0,01 |
н. NaOH+0.7 |
мМ |
Н 2 [214]; |
|
|
|
|||||
0,01 н. NaOH+0,0042M H , fl83V, |
О — 0 . 5 |
мМ |
K<Fe |
(CN)„ (фо |
|
||||||||
тохимическое |
образование |
е ~ ) [ 3 6 0 ] . |
|
|
|
|
|
|
е~ , возникающие при фотолизе, имеют такую же реакцион ную способность, как и е~, образующиеся при рад'иолизе или в некоторых химических реакциях [127, 135].
Спектр е~ , возникающих при фотолизе, совпадает со спект ром е~ч, появляющихся при действии ионизирующих излуче ний или образующихся в реакции (3.1) [360]. На рис. 3.2 при ведены спектры е~, генерированных в реакции
Fe (CN)*- + Аѵ •* Fe (CN) 3 ~ + е~ .
54
Спектр поглощения такой системы, снятый спустя 30 мксек после световой вспышки, совпадал со спектром е~ , образован
ных радиолитически |
[360]. |
|
|
|
|
|
|
при |
облучении |
|||||||||
Сольватированные электроны |
возникают |
и |
||||||||||||||||
различных |
спиртов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
На |
|
рис. |
3.3 |
[389] |
приведены |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
спектры |
для |
метанола, |
этанола |
и |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
изопропанола. Они сходны со спек |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
трами |
е~. |
Полосы |
поглощения |
яв |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ляются |
|
интенсивными, |
асимметрич |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ными |
и |
широкими, |
свидетельствуя |
|
|
|
500 |
700 |
|
900 Л,нм |
||||||||
тем |
самым |
|
о неизменности |
основ |
|
|
|
|
||||||||||
ных |
особенностей |
процесса |
сольва |
Рис. |
3.3. |
|
Спектры |
поглощения |
||||||||||
тации электронов |
и в этих полярных |
ej~ в спиртах [389]: |
|
|
||||||||||||||
жидкостях. |
|
|
|
|
|
|
|
|
/ — СН,ОН: |
2 — CjHsOH; |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 — (СНзЬСНОН . |
|
|
|
|||
Зависимость от температуры и давления |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
При |
|
увеличении |
температуры |
спектр |
поглощения |
e^q не |
||||||||||||
сколько |
уширяется |
и £ ( А , М а к о ) |
сдвигается |
в |
сторону |
меньших |
||||||||||||
энергий. Величина |
сдвига для |
е~ |
составляет — 0,0029 |
эв/град |
||||||||||||||
в диапазоне |
температур |
от 4 до 90° С |
[214]. Методом |
импульс |
||||||||||||||
ного радиолиза было показано |
(см. рис. 3.4), что ширима |
спект- |
||||||||||||||||
|
|
20 г— |
|
|
|
|
|
|
|
|
: |
|
|
|
- , |
|
|
Q\ |
! |
! |
і |
! |
1 |
1,0 . |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
_ |
E,3ßJ |
Рис. 3.4. Влияние температуры на спектр поглощения е~ в интервале от 4 до 90° С [400].
55
pa и его асимметрия несколько увеличиваются с ростом темпе ратуры, а кажущийся молярный коэффициент экстинкции слег ка уменьшается. Последний эффект в принципе может быть свя зан с уменьшением либо выхода е~, либо его молярного ко эффициента экстинкции. Поскольку уширение спектра с ростом температуры носит плавный характер, а радиационнохимические
s |
|
|
. |
|
|
|
выходы, |
как это |
следует |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
из |
|
химических |
|
данных, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
не |
|
зависят от |
температу |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ры, |
можно |
принять, что |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
выход g{ejq) |
при измене |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
нии температуры |
остается |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
постоянным. Отсюда |
мож |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
но |
|
заключить, |
что в ин |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тервале |
от 4 до 90° С не |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
только количество е~ по |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
стоянно, но и его струк |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тура |
по |
существу |
неиз |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
менна. |
|
|
|
|
полярные |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Другие |
|
|
|||||||
Рис. 3.5. Влияние температуры на |
спектры |
жидкости |
ведут |
себя ана |
|||||||||||||||
логичным |
образом. |
Как |
|||||||||||||||||
поглощения es |
в метаноле и аммиаке: |
||||||||||||||||||
видно |
из рис. 3.5, |
макси |
|||||||||||||||||
3 — С Н 3 |
О Н |
при |
—78° С [58]; 4 — С Н 3 О Н при 24° С |
мумы |
полос |
|
поглощения |
||||||||||||
J — N H 3 |
при —70" С 1162]; 2 — N H 3 при 24° С |
[130]; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
[58]. |
|
|
|
|
|
|
|
электронов, |
|
сольватиро |
|||||||||
смещаются |
при увеличении |
|
|
ванных |
в СН3 ОН |
и NH 3 , |
|||||||||||||
температуры |
|
в |
область |
меньших |
|||||||||||||||
энергий, |
что вновь свидетельствует о тесной |
аналогии |
между |
||||||||||||||||
e7q и другими сольватированными электронами. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Гидратированный электрон образуется в воде и в результате |
|||||||||||||||||||
облучения ее при критической температуре |
и даже |
|
выше. Был |
||||||||||||||||
получен |
спектр поглощения в жидкой |
воде D 2 0 под давлением |
|||||||||||||||||
ее насыщенного пара при температурах |
|
вплоть |
до 390° С (см. |
||||||||||||||||
рис. 3.6). При таких |
повышенных температурах |
главными |
осо |
||||||||||||||||
бенностями |
полосы |
поглощения |
являются |
ее уширение и сдвиг |
|||||||||||||||
£ ( ^ м а к с ) |
в |
сторону |
меньших |
энергий. При температурах |
выше |
||||||||||||||
100° С температурный |
коэффициент сдвига |
£ ( Х М а к о ) |
монотонно |
||||||||||||||||
убывает, |
достигая |
при 372° С значения |
— 0,0015 эв |
на |
градус, |
||||||||||||||
что существенно меньше, чем в случае жидкой |
Н 2 0 при темпе |
||||||||||||||||||
ратурах |
ниже 100° С. Электрон остается |
гидратированный |
и при |
||||||||||||||||
температуре |
390° С, заметно |
превышающей |
критическую |
темпе |
|||||||||||||||
ратуру D 2 0, равную |
372° С. |
Форма |
полосы |
поглощения |
при |
||||||||||||||
сверхкритических |
температурах |
сходна |
с |
формой |
полосы для |
||||||||||||||
жидкой |
D 2 0 при более низких |
температурах. Следует |
подчер |
||||||||||||||||
кнуть, что при изменении температуры |
от 0 до 390° С |
структур |
|||||||||||||||||
ные ассоциаты (кластеры), существующие в жидкой |
воде, |
резко |
|||||||||||||||||
изменяются. Поэтому |
способность электрона |
образовывать во- |
56
круг себя гидратную сферу не зависит |
существенным |
образом |
||||||
от наличия |
кластеров |
молекул |
воды |
или |
от структуры таких |
|||
кластеров, |
и отрицательно заряженные |
кластеры, |
образованные- |
|||||
в газовой фазе при высоких давлениях, не отличаются |
сущест |
|||||||
венно от электронов, гидратированных |
в жидкой |
воде. |
|
|||||
|
1,8- |
|
|
|
|
|
|
|
\ |
1,6 - |
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
I |
1 \ . |
|
|
I |
|
5 |
1,2 |
|
0° |
100° |
|
371,5°С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1,0- |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.8 |
і |
1 |
400 |
500 |
600 |
Т°К |
|
|
100 |
200 |
300 |
|
||||
Рис. 3.6. |
Влияние температуры на |
Е ( Я м а і < г ) полосы |
|
e~q в кристаллическом льду и жидкой воде. Данные
для температур, меньших 273° К, заимствованы из работ [414, 433], для температур 273—373° К — и з ра боты [214], для температур выше 373° К — и з рабо ты [337].
Влияние давления на спектр е~ исследовалось при 27° С. При этом было обнаружено смещение спектра в голубую часть, равное 200 Â при гидростатическом давлении 1000 атм [396, 399]. Этот сдвиг был интерпретирован на основе модели поло сти, предсказывающей такой сдвиг при уменьшении ее объема.
Спектры поглощения электронов в полярных твердых телах
Спектры поглощения /"-центров и электронов, захваченных во льду, напоминают спектры электронов, сольватированных в- жидкостях. Полосы поглощения /-центров при увеличении тем пературы уширяются, а их максимумы сдвигаются в сторону бо
лее низких энергий |
(см. рис. 3.7). Аналогия |
между |
спектрами, |
||||||
приведенными на рис. 3.1 для льда |
и жидкой |
воды, и спектрами |
|||||||
рис. 3.7, а также температурные |
сдвиги — еще одно |
свидетель |
|||||||
ство определенного |
сходства /"-центров, е~ и ejr . |
|
|
||||||
Для спектров /"-центров в точке плавления кристалла |
наблю |
||||||||
дается скачкообразное изменение Е(КЫйѵс) |
(сдвиг для КВг со |
||||||||
ставляет |
~0,5 эв) |
[219], что связано со значительным |
объем |
||||||
ным расширением |
кристалла |
при |
плавлении. |
Кроме |
того, |
||||
£ ( ? Ч і а к с ) |
линейно зависит от молярного |
объема |
в степени —2/3. |
||||||
Поскольку для галогенидов щелочных |
металлов |
величина Ѵ~2/3 |
57
прямо пропорциональна d~2 (d — расстояние между ядрами ме талла и галогена в кристалле), напрашивается вывод о наличии тесной связи между Хмлкс и межъядерным расстоянием в кри сталле. В дальнейшем при обсуждении модели полости будет
показано, как Е(ХШКС) |
|
зависит от |
размеров |
полости. |
|
|
и при |
|||||||||
При |
понижении температуры |
е~ |
стабилизируется, |
|
||||||||||||
—196° С время его жизни в щелочной матрице настолько |
велико, |
|||||||||||||||
что электрон |
можно |
наблюдать |
с |
помощью |
|
обычных |
оптиче |
|||||||||
|
|
|
|
|
ских методов или методом ЭПР. |
|||||||||||
|
|
-245°л |
|
Использование |
|
этих |
методов |
по |
||||||||
|
|
|
зволило |
|
достичь значительного |
|||||||||||
|
|
|
|
|
прогресса |
в |
выяснении |
|
струк |
|||||||
|
|
|
|
|
туры |
efr. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
+20°/Т\ |
\ |
|
Примерно |
|
одновременно |
с |
||||||||
|
|
идентификацией |
е~ |
по его спек |
||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
тру |
поглощения |
аналогичный |
|||||||||
+750°С/ |
|
|
|
спектр, приписанный |
|
, был от |
||||||||||
|
|
|
крыт в |
замороженных |
|
облучен |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
J},5 |
-1,0 - |
1,5 |
2,0 |
E,3Ô |
ных |
щелочных |
растворах |
[174, |
||||||||
270, |
394]. Типичный |
такой |
спектр |
|||||||||||||
Рис. 3.7. Влияние температуры на |
с |
А,Макс = 585 |
нм, |
снятый |
|
при |
||||||||||
спектры поглощения F-центров в |
—196° С, |
приведен |
на |
|
рис. 3.1, |
|||||||||||
КВг. Кривая для 750° С была по |
кривая |
3. |
Обращает |
на |
себя |
вни |
||||||||||
лучена в случае |
раствора |
К в |
мание сходство |
между |
спектрами |
|||||||||||
жидком |
КВг [219]. |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
е~ |
и ejT |
|
в замороженном щелоч |
||||||||
|
|
|
|
|
ном |
растворе. Обе полосы |
погло |
щения являются широкими, асимметричными и интенсивными;
главное |
различие состоит в сдвиге полосы |
в сторону |
боль |
||
ших энергий. Д а ж е выход G(e^ |
), равный 3,0±0,6 в «стекле» |
||||
10 н. NaOH, близок к зыходу е~ |
[176]. |
Таким |
образом, |
можно |
|
•сделать |
вывод о сходстве между е~ |
и e~j~ , причем |
главное |
||
различие |
состоит в том, что |
находится в |
несколько |
более |
|
глубокой |
ловушке. |
|
|
|
|
Высокие выходы е~ наблюдаются лишь для аморфных матриц типа NaOH—Н2О. В гл. 1 шла речь о том, что вторич ные электроны, выбитые из молекул воды -у-квантами, сначала термализуются, затем гидратируются. Те же процессы происхо дят во льду, где возможна дальнейшая их дифференциация. При низких температурах ловушки достаточно глубоки для того, что- •бы электроны стали неподвижными. Однако освещение и нагре вание освобождают такие электроны из ловушек и делают их подвижными. Обозначим подвижный электрон е~. Таким об разом, имеем равновесие
etr *^ ет •
58
Как и e~q, подвижные электроны реагируют с растворенными веществами; и во льду, не содержащем щелочь, реакция
|
|
|
е - + Н+ - |
H |
|
|
|
|
ответственна за гораздо более низкий выход ejr . |
|
|
|
|||||
Однако |
условие |
щелочности недостаточно для |
образования |
|||||
е~ , так |
как |
в монокристаллах |
NaOH • 7,0 Н 2 0 |
|
(9,0 М) |
и |
||
NaOH • 3,5 Н 2 0 |
(14,5 |
М) стабильные |
ejr |
не возникают |
в резуль |
|||
тате облучения |
при |
—196° С [73], хотя |
в «стеклах» |
такого |
же |
|||
состава появляется |
значительное окрашивание [73, |
1684] *. Оче |
видно, облучение не приводит к возникновению ловушек в мо нокристаллах состава 9,0 или 14,5 M NaOH, но такие ловушки имеются в исходном аморфном твердом веществе. Аналогичные эффекты обнаружены для стеклообразных замороженных ра створов Са(С10„)2 , Mg(C104 )2 , NaH2 P04 [87]. В облученных этиленгликоле и глицерине, а также в смесях этиленгликоль — изопропиловый спирт и этиловый спирт — изобутиловый спирт одиночная полоса оптического поглощения постепенно смещает ся от энергии, характерной для одного спирта, к энергии дру гого более полярного спирта при увеличении мольной доли вто рого спирта [171, 173, 175]. Такая зависимость свидетельствует в пользу модели, согласно которой электроны захватываются в существующих до облучения полостях, образованных несколь кими равномерно смешанными молекулами спиртов f 171J. В этих растворах электроны захватываются в готовых ловуш ках, необходимым условием существования которых является стеклообразное некристаллическое состояние, обусловленное вы сокой концентрацией многоатомных анионов и инертных органи ческих молекул. Естественно, что в отсутствие Н+ или легко
восстанавливающихся |
соединений |
выходы |
еуг возрастают. Есть |
||
обзоры, где описана |
природа |
процессов |
в облученных водных |
||
[106, 136, 176, 292, 294, 341, |
461] |
и органических [223, |
466] |
||
«стеклах» **. |
|
|
|
|
|
Время жизни и выходы efr |
в чистом |
кристаллическом |
льду |
сильно снижаются. Поэтому для изучения их свойств необхо
димо использовать |
метод импульсного радиолиза [169, 354, 413]. |
|||||
На |
рис. 3.1 спектр |
е~ сопоставлен |
со спектрами е~ |
в чистом |
||
|
* Образование электронных |
центров с |
малыми |
выходами |
при ѵ-радио- |
|
лизе |
кристаллогидратов щелочей |
и фторида |
калия |
при —196° С было пока |
зано недавно А. К. Пикаевым и сотр. (Pikaev A. K-, Ershov В. G., Punte-
zhis |
S. A. Radiations |
Effects, |
1970, |
5, 265. Puntezhis S. A., Ershov B. G., |
Pi |
|||||||
kaev |
A. K. Ibid., |
1971, |
10, 253).— |
Прим. |
ред. |
|
|
|
||||
** |
Эти |
процессы |
рассматриваются |
также |
в обзорах: |
Ершов Б. Г., |
Пи- |
|||||
каев |
А. К. |
«Ж. |
физ. хим.», |
1967, |
41, |
2573; Рогинский В. А., Котов Б. В. |
||||||
«Химия |
высоких |
энергий», 1967, |
1, |
291; |
Ershov В. G., Pikaev А. К. Radiation |
|||||||
Res. Rev., 1969, 2, 1; Kevan L. In: |
Actions Chimiques et Biologiques des |
Ra |
||||||||||
diations. M. Haissinsky, Ed. Paris, |
Masson et |
Cie, 1969, |
sêr, XIII, p. |
57.— |
||||||||
Прим. |
ред. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
59