利用负离子光电子成像研究锕系化合物的电子结构和化学键

Actinide elements (such as Thorium and Uranium) with partially filled 5f and 6d electron can participate chemical bonding, which form vary complicated electronic structures because of the strong relativistic effect and electron correlation effect. Anion photoelectron spectroscopy can directly probing the electronic structures of valence electron shell and the chemical bondings, which can help to reveal the fundamental actinide chemical properties and bonding at molecular (or atomic) level. This project focus on probing the electronic structures and chemical bondings of actinide species by newly designed high resolution photoelectron velocity map imaging (VMI). Anion photoelectron spectroscopy is also the most powerful technique to obtain molecular electron affinity (EA), furthermore, the spectra recorded from photodetachment of anions contain the information of the final neutral state, and accurate experimental data provide test bed to verify actinide theoretical method. VMI technique can provide extra angular distribution information of photodetached electron by linear polarized laser; photodetachment involves removal of electrons from occupied valence molecular orbitals and can probe directly the participation in chemical bonding by the 5f or 6d orbitals of actinide elements.

锕系元素（如钍和铀等）其未充满的5f与6d电子壳层参与化合物成键，由于重元素的强相对论效应以及复杂的电子相关效应，使得其原子和化合物电子结构十分复杂。负离子光电子能谱能直接获取锕系化合物的价层电子结构信息，这些数据有助于在原子和分子水平上揭示锕系化合物的化学性质和化学键。本项目利用新一代高分辨光电子速度成像技术（VMI）研究若干锕系化合物体系的电子结构和化学键。负离子光电子能谱也是测量分子电子亲和势（EA）的最有效手段之一，此外从负离子上剥离电子而获取的光电子能谱图是终态分子的低能电子激发态信息，精确的实验数据能够用于检验现有的锕系元素理论化学。VMI相比于传统的光电子能谱，还能得到激光剥离的电子空间角分布信息，由于激光剥离过程涉及电子从分子的价键轨道移出，所以能直接探测锕系5f或6d轨道参与化学成键的信息。本项目的实施也为先进核燃料循环和乏燃料化学分离研究提供锕系元素化学基础研究支撑。

钍、铀元素化合物在钍基核燃料、钍铀循环、乏燃料后处理、催化化学等领域的应用与其基础理化性质及钍、铀与不同配体间的相互作用密切相关。本项目将负离子光电子速度成像技术应用于不同含钍、铀元素气相小分子的电子亲和能及精细电子结构的测量，并结合高精度量子化学理论计算，在充分考虑电子相关效应和标量及自旋-轨道耦合相对论效应的基础上，准确解析了负离子光电子能谱。通过对系列分子体系开展了系统深入的研究，旨在揭示不同钍、铀元素化合物的几何结构、电子结构、振动频率、电子亲和能、化学成键特征等性质，并取得了系列研究成果，主要包括：搭建了用于锕系负离子光电子能谱测量研究的实验装置，利用该装置测量并研究了系列ThOx（x=1-3）分子电子结构和成键规律，研究了EThF2 (E = O、S、Se、Te)系列分子成键规律，测量了Th、U原子负离子的光电子能谱并进行了理论分析，首次发现钍负离子存在可用于激光制冷的电偶极跃迁态，一旦实现了某一种负离子的激光冷却，便可以使用协同冷却技术冷却其他负离子甚至反质子，这在基础物理、原子分子、超冷化学等领域都有重要作用。