镧系原子中电子附着的严格模型

理解低能量电子碰撞中负离子形成的物理机制与镧系原子的物理和化学的基本重要性。它对广泛的应用具有重要意义，从催化作用和水净化。遗憾的是，镧系内电子之间的相互作用的复杂性长期使得几乎不可能可靠地预测电子结合的能量和所得的负离子的性质。Alfred Msezane教授及其在Clark Atlanta大学的小组制定了严格而强大的理论描述，对镧系原子的电子连接过程进行了严格和强大的理论描述。

镧系有镧系有型镧系，是一组占据周期表底部附近的大块的原子。它们是重和复杂的原子，含有57至71个电子在阳性核周围的复杂轨迹之间，速度约为1％的光速。镧系有现代化学的重要作用，展示了许多独特的性质，使它们适用于催化作用，超导装置，光电子和荧光材料进行药物发现。它们也用于调节核反应堆。

镧系元素的大多数化学应用都是利用其带正电的离子(例如，除去两个或三个电子的镧系元素原子)。然而，最近越来越多的人开始关注镧系原子与低能电子束相互作用的能力，并与它们结合，形成大型负电荷离子或阴离子。从物理学的基本观点来看，理解和控制这些阴离子物种的形成具有非凡的意义，但它也可以使我们获得前所未有的、奇异的化学过程，这些过程具有巨大的技术和社会影响。例如，在水转化为过氧化氢的化学反应中，重负离子可以为水净化提供高效和廉价的催化剂。这有可能应用于发展中国家民用用水的大规模处理。

Msezane教授的研究致力于开发严谨准确的理论框架，以解释镧系原子(以及相关系统，如锕系原子和富勒烯分子)与低能电子相互作用时所发生的物理现象。他提出了一种新的数学方法，称为雷吉极法，用于预测电子附着在重的多电子系统上，产生稳定的负离子。该方法在揭示镧系阴离子形成过程中复杂的量子力学相互作用方面是一个重大的理论突破。

MSEZANE制定了一种新颖的数学方法 - 称为REGEGE极点方法 - 用于低能量电子系统的低能量电子碰撞。

电子亲和力
原子能够结合过量电子的能力的中央物理测量称为原子的电子亲和力。这可以定义为当将一个电子加入到中性原子以形成负极的时释放的能量。在镧系元素，散曲线和富勒烯分子等复杂重物和富勒烯分子等电子亲和力的可靠值是目前是实验和理论上的原子和分子物理中最具挑战性的问题之一。

电子亲和力测定的理论模型必须考虑原子内的大量电子在它们之间相互作用，并且具有进入的低能量电子。这产生了两个重要的量子机械现象 - 电子 - 电子相关和芯偏振相互作用 - 这在电子附接过程中起着至关重要的作用。尽管复杂的计算方法，例如相对论配置相互作用方法，可用于估计电子亲和力，但它们的使用通常很麻烦，所要求的，并且由于必须包括在计算中的计算中的大量电子配置而苛刻，所要求的，所以通过不确定性镧系元素的情况。此外，计算结果的解释可以通过歧义困扰。

电子附着机制
当一个低能电子(入射)接近中性镧系原子时，它最初沿直线运动，类似于子弹接近目标。然而，在原子附近，入射电子和属于原子的电子之间的复杂相互作用导致电子偏离(或“散射”)其原来的路径。这个偏差的大小与入射电子的量子力学性质(其复杂的角动量)和它的速度有关，而速度与它的动能有关。在某些情况下，散射的作用足以使电子被捕获。在这种情况下，电子在原子内有效地占据了一种新的稳定的量子力学状态，系统获得了一个负电荷。

由Msezane开发的Regge极点方法能够以完全复杂性占原理效应，并提供电子亲和力的定量估计。至关重要的是，Msezane的方法不需要从实验或其他理论中输入;因此，它可以用于研究在没有可用的测量值的系统中的电子附件，并帮助解释实验数据。

重要的是要认识到，入射电子可能并不总是占据新形成的阴离子的基态。亚稳态和激发态实际上也可以在负离子的形成中发挥作用，它们可以极大地使实验测量和理论计算的解释复杂化。雷吉极方法的优势之一是它独特的能力，可以识别在碰撞过程中可能形成的阴离子的基本状态，并明确地确定其基态的结合能，从中可以提取电子亲和能。

散射总横截面
在低能电子散射实验中，决定负离子形成过程中散射相互作用有效性的中心量是弹性总截面。它可以被解释为中性原子附近的一个横截面区域，在这个区域内，量子力学相互作用导致进入的电子经历散射。第二个重要的量是电子结合能，它是形成一个稳定的负离子所需的最小能量。Regge极点法提供了前所未有的能力，从计算出的弹性总截面出现的特征尖峰计算复杂体系的阴离子结合能。基态负离子结合能又决定了系统的电子亲和力。

Msezane方法的鲁棒性和可靠性通过与富勒烯的测量电子亲和力的比较是基准测试（C.₆₀和C₇₀)， Au和Pt原子，以及高放射性的At原子。“这一理论上的壮举”，米塞赞恩解释说，“以前从未实现过。”这种从基态电子弹性总横截面计算中提取复杂重系统可靠电子亲和力的创新方法代表了一项前所未有的理论成就，并首次提供了一种稳健可靠的计算明确电子亲和力的方法。”

它提供了第一次计算明确计算明确的电子亲和力的稳健和可靠的方法。

雷吉杆法在起作用
雷吉极，散射矩阵的奇点，严格地定义共振，在复平面的物理薄片中，它们对应于束缚态。这解释了Regge极子方法在计算低能量电子与复杂重系统(如镧系)碰撞形成的负离子的可靠基态和激发态结合能方面的巨大成功。

除了提供可靠的电子亲和力计算外，Regge极点方法还提供了一种强大而有效的方法，可以调和和理顺从实验和复杂的理论方法(如构型相互作用计算)获得的结果，从而消除了一些使这些数据难以解释的歧义。“许多现有的实验测量和复杂的理论计算”，Msezane说，“已经考虑了稳定的、亚稳态的和/或激发的负离子形成的负离子结合能，与所考虑的镧系和锕系原子的电子亲和度相对应。这与复杂系统(如Au、Pt、At和富勒烯分子)的标准测量中发现的电子亲和力的通常含义相反。”事实上，在某些情况下，传统的理论方法或实验测量无法提供对电子亲和性的正确解释，而它们可以产生与负离子量子力学态对应的束缚能，而负离子的量子力学态不是基态。

Professor Msezane and his collaborator Dr Zineb Felfli have demonstrated this to be the case in an elegant study of the theoretically and experimentally determined electron affinities of the ‘lighter’ lanthanides: Eu, Tb, Tm, Gd, (and also the non-lanthanide Nb). Using the Regge pole approach, they have shown that all previously reported values for the electron affinities of these atoms correspond to binding energies for their anions in excited states, and they cannot therefore be rigorously interpreted as electron affinities. A new list of ‘physical’ and reliable electron affinities, computed using the Regge pole method, is also presented in the same work for all the atoms examined. The Regge pole approach has also been applied to the ‘heavy’ lanthanides: Ho, Er, Tm, Yb, and Lu (as well as to Hf). Again, this has shown that the currently available measured and calculated electron affinities are riddled with substantial ambiguities arising from the potential misidentification of the binding energies of the anions and a new set of electron affinities has been proposed.

这些发现突出了Regge极点方法的非凡潜力，作为计算复合多电子原子和分子的电子亲和力的革命性，严格和鲁棒方法。