观测原子轨道

电子是狡猾的粒子，根据量子力学定律，它们无法被精确地定位。因此，科学家们用原子轨道来描述它们的位置——本质上是电子在原子核周围飞驰时最可能出现的区域。原子轨道的概念长期以来被证明在数学上描述原子及其相互作用非常有用，但在物理上却并非如此。

现在，这一切都改变了。亚利桑那州立大学的研究人员最近在《自然》杂志上发表了关于氧化亚铜（一种名为铜红矿的晶体）中原子轨道的首批真实图像。首席作者 J.M. Zuo 说：“这是量子模型的直接实验证明。”

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这些照片由物理与天文系的 Zuo、M. Kim 和 John Spence 以及化学家 Michael O'Keefe 使用一种新颖的技术拍摄，证实了原子轨道的形状确实像球体、哑铃、花瓣和甜甜圈——这取决于居住在其中的电子以及与它们相互作用的电子的能量和其他属性。

此外，这些图像还解决了关于某些晶体（统称为铜氧化物）中铜和氧之间键类型的争议，这些晶体在高温下无电阻地导电。“理解铜氧化物中的键合是解决固态理论中最大的未解问题的关键——铜氧化物中高温超导的性质，”Zuo 指出。人们认为，由于其不寻常的特性，这种超导体在未来技术中具有巨大的前景。

事实上，有三种基本类型的键将所有物质结合在一起：金属-金属键是在单个原子的外层电子简单地混合在一起时产生的；共价键发生在两个原子之间共享电子对时；离子键是在一个原子将一个电子给予相邻原子时形成的。剑桥大学的 Colin Humphries 在 1970 年代提出，铜氧化物中的铜原子之间可能存在共价键，但由于没有实验证据，当时流行的理论认为只有金属-金属键才有可能。

然而，新的图片证明了 Humphries 是正确的。这些铜红矿中非离子键的电荷密度图显示出一个哑铃，其中心周围环绕着一个甜甜圈和三个花瓣，铜离子就位于那里——这是一种为 s-d_z² 轨道杂化预测的构型。共价键出现在铜和氧之间以及铜和铜之间。在铜原子之间松散漂浮的较弱的电子分布暗示了金属-金属键。“金属之间存在共价键的证据很可能会让他们重写化学教科书，”Spence 评论道。“化学一直认为这些只可能存在于这种材料中的铜和氧之间。”

该团队在高分辨率电子显微镜中心制作了他们的图像，用电子束和 X 射线束轰击铜红矿晶体。电子束主要从材料中的电子键上反弹，而 X 射线则从原子核上反弹。当返回的光束相互作用时，它们产生了一种衍射图案，告诉人们它们刚刚击中了什么，研究人员使用它来生成图像，这与使用干涉光图案创建照片和全息图的方式非常相似。

为了使这种方法奏效，Zuo 和他的团队必须以比以前更高的精度测量光束从晶体散射的角度。他们依靠电子束来测量小角度，电子束通过避免扭曲 X 射线图像的“消光效应”而更准确地做到了这一点。相比之下，X 射线束更擅长测量较大的角度。两者的结合使得详细描述晶体结构的精细细节成为可能。为了制作铜和氧之间共价键的清晰图像，该小组通过首先将所有离子移动到地图的背面，然后减去背景来操纵电荷密度图。

一些分析这些图片的科学家有略微不同的解释。例如，1981 年诺贝尔化学奖得主、康奈尔大学化学家罗尔德·霍夫曼对铜原子之间的共价键持怀疑态度，认为它们相距太远。但每个人都确信亚利桑那州研究人员开发的技术。撇开关于铜红矿键的最终决定不谈，会聚电子束衍射和 X 射线束衍射的结合应有助于研究人员在未来几年更好地理解各种复杂材料。