不遵守罕德定則的分子 化學家, 罕德定則, 美國, 研究所

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作者:Tzu-Ming Lu
2004/02/27


美國的化學家發現了一種不遵守罕德定則的分子，具有三個未成對電子，但是其基態之電子組態卻為低自旋(low-spin)，這項發現有助於對於未成對電子行為的了解以及非金屬磁鐵的開發。
早在高中的化學課程中，我們即學會利用構築原理(Aufbau Principle)、包利不相容原理(Pauli Exclusion Principle)以及罕德定則(Hund’s Rule)來找出原子或分子的電子組態為何。其中罕德定則是說，當數個電子分別進入能階相同或接近的軌域時，會以相同的自旋方向填入軌域中。
然而Purdue University的化學家，合成了一種稱為5-dehydro-1,3-quinodimethane的分子，具有三個不成對的電子，經過理論計算之後，發現在基態下，這三個電子的自旋方式並不朝向同一方向，而有一個電子和另兩個電子的自旋方向相反。遵守罕德定則的高自旋電子組態，其能量略高於基態0.16eV。他們計算的方法，使用了University of Southern California的Krylov所發展出的spin-flip approach，將二重態(doublet)的電子組態(low-spin)描述為四重態(quartet)的電子組態(high-spin)之激發態，以簡化計算過程。這項結果發表在二月的Angewandte Chemie International Edition上。
Purdue University的Wenthold說明了這項研究所代表的意義：“這個分子不遵守我們所熟知的定則，可以讓化學家對於其他的例外有更多的了解。要想設計出具有奇異特性的材料，對於分子內作用力的了解是不可或缺的。”
Krylov則表示，磁力與未成對電子有極大的關聯性，此研究可能有助於非金屬磁鐡的開發。非金屬磁鐡相對於傳統的磁鐡，有著更輕、更便宜、更容易製造的諸多優勢。
到目前為止，研究工作仍集中在對於此材料基本性質的了解，距離實用階段仍非常遙遠。不過，研究這些奇異的物質特性，找出背後的原理，對科學家來說，本身就是一件有趣的事情了。