Строение атома w: Строение атома вольфрама (W), схема и примеры

Содержание

Строение атома вольфрама (W), схема и примеры

Общие сведения о строении атома вольфрама

Относится к элементам d-семейства. Металл. Обозначение – W. Порядковый номер – 74. Относительная атомная масса – 183,84 а.е.м.

Электронное строение атома вольфрама

Атом вольфрама состоит из положительно заряженного ядра (+74), внутри которого есть 74 протона и 109 нейтронов, а вокруг, по шести орбитам движутся 74 электрона.

Рис.1. Схематическое строение атома вольфрама.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

+74W)2)8)18)32)12)2;

1s22s22p63s23p63d104s24p64f145s25p65d46s2.

Внешний энергетический уровень атома вольфрама содержит 6 электронов, которые являются валентными. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Валентные электроны атома вольфрама можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), ml (магнитное) и s (спиновое):

Подуровень

n

l

ml

s

s

6

0

0

+1/2

s

6

0

0

-1/2

d

5

2

-2

+1/2

d

5

2

-1

+1/2

d

5

2

0

+1/2

d

5

2

+1

+1/2

Наличие четырех неспаренных электронов свидетельствует о том, что степень окисления вольфрама равна +4.

Для вольфрама характерно наличие возбужденного состояния за счет вакантных орбиталей 5p-подуровня (степень окисления +6):

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

От строения атома до энергии Гиббса и кинетики реакций

«Сириус» принимает детскую делегацию из общеобразовательных школ района Академический города Екатеринбурга. Для 15 школьников – учащихся 8-11 классов, проявивших высокие способности в учебе, – в Парке науки и искусства проходит недельная образовательная программа по направлению «Наука», организованная при партнерской поддержке благотворительного фонда «РЕНОВА».

 

Тема экспресс-программы – «Избранные главы физической и неорганической химии в задачах олимпиад и вступительных экзаменах». На занятиях ребята рассмотрят основные аспекты физической (строение атома, строение молекул, термодинамика и кинетика) и современной неорганической химии.

– Цель, с которой мы приехали – углубленная подготовка к Всероссийской олимпиаде школьников по химии. Также мы решаем задачи, встречающиеся на профильных вступительных испытаниях в МГУ. В программу вошли задания теоретического и экспериментального уровней, – рассказывает 15-летний Иван Ходченко. 

Занимается с юными химиками Юрий Александрович Белоусов, научный сотрудник химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, кандидат химических наук. Педагог, который также выступил и автором программы, отмечает: за неделю в «Сириусе» ребята пройдут пять основных тем.   

«Они подробно изучат строение атома и связь квантовых чисел с периодическим законом, освоят термодинамические функции (энтропия, энтальпия и энергия Гиббса), определят направление прохождения химических реакций, научатся предсказывать особенности протекания химических и физических процессов во времени: рассмотрят кинетику реакций и радиоактивного распада.

Также будет уделено особое внимание строению соединений (бинарному соединению р-элементов и комплексов d-металлов по формуле) и технике решения задач на химию металлов и неметаллов».

По завершении реализации учебно-тематического плана все школьники получат Сертификаты установленного образца о прохождении в «Сириусе» недельной химической образовательной программы. 

Школьники с олимпиадными задачами справляются. Говорят: не все дается легко, но пройденный в «Сириусе» материал – отличное подспорье перед началом нового учебного года, в течение которого они будут усиленно готовиться к серьезным всероссийским испытаниям. 

Строение атома. Состояние электрона в атоме

Основные понятия темы:

  • ядерная модель строения атома
  •  протон, нейтрон, электрон
  • нуклоны
  • физический смысл атомного номера
  • протонное число (Z), массовое число (A)
  • нуклид, обозначение нуклидов
  • изотопы
  • химический элемент
  • корпускулярно-волновой дуализм электронов
  • электронное облако
  • атомная электронная орбиталь
  • форма s- , p- , d- и  f- орбиталей
  • энергетические уровни и подуровни
  • квантовые числа (главное, орбитальное, магнитное, спиновое)
  • максимальное число электронов на энергетическом уровне
  • электронные конфигурации атомов в невозбужденном состоянии (принципы распределения электронов в атоме: наименьшей энергии, правило Хунда, принцип Паули)

Для повторения темы рекомендую просмотреть видео

 

Проверь уровень своих знаний 

Задание 1 (уровень «Новичок»)

Задание 2 (уровень «Любитель»)

Задание 3 (уровень «Мастер»)

Задание 4 (уровень — «Творец») 

Задание предназначено для трех Мастеров.

История развития представлений о строении атома уходит в глубину веков (500 — 200 гг до н.э.)  и радикально изменяется в XX веке. Современное знание о строении вещества стало возможно благодаря опытам и открытиям многих ученых от древности до наших дней. Попробуйте восстановить хронологию этих событий в виде ленты времени.

Полезные ресурсы:
Для выполнения этого проекта вам необходимо:
  1. Зарегистрироваться в Google — таблице вместе с 2-мя соратниками ТУТ
  2. Изучить ресурсы по теме (ссылки выше)
  3. Создать иллюстрированную ленту времени в сервисе TIMEGRAPHICS    ( в этом сервисе есть возможность совместной работы, можно пройти регистрацию через аккаунт VK, инструкция по работе с сервисом — НАЖИМАЙ )
  4. Разместить ссылку на свою работу в таблице и заполнить в ней все графы.
  5. Успеть выполнить это задание за 14 дней и получить отметку  

Если возникнут вопросы — пишите в комментариях к этой странице  или задавайте лично.

Удачных творческих находок вам!



Закладка Постоянная ссылка.

Конспект урока по химии на тему “СТРОЕНИЕ АТОМА”

Строение атома

Атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, в целом атом – система электронейтральная. Заряд ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Д.И.Менделеева. Состояние электрона в атоме описывается при помощи набора четырех квантовых чисел: главного

n, орбитального l, магнитного ml и спинового ms. Определенные значения трех квантовых чисел (n, l,ml) описывают состояние электрона, называемое атомной орбиталью (АО).

Главное квантовое число n определяет энергию АО и номер энергетического уровня, на котором находится электрон, и может принимать целочисленные значения от единицы до бесконечности.

Орбитальное квантовое число l определяет форму АО и энергетический подуровень, оно может принимать значения от нуля до n-1. Исторически атомным орбиталям со значениями l, равным 0, 1, 2, 3 присвоены буквенные обозначения s-, p-, d-, f-. В графических схемах электронного строения атомов каждая орбиталь обозначается символом .

Магнитное квантовое число ml определяет пространственную ориентацию АО и отчасти ее форму, оно может принимать значения от –l до +l.

Спиновое квантовое число ms характеризует собственный момент импульса и связанный с ним магнитный момент и может принимать значения ±1/2.

Последовательность распределения электронов в атоме по мере увеличения значений l и n выражается электронными или электронно-графическими формулами.

При заполнении АО действует принцип Паули, из которого следует, что в атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковым набором значений четырех квантовых чисел. Состояние электронов в атоме должно отличаться значением хотя бы одного квантового числа.

Заполнение энергетических подуровней подчиняется правилу Хунда, согласно которому электроны в основном состоянии в атоме располагаются так, чтобы модуль суммарного спина всех электронов подуровня был максимальным. Например, четыре валентных p-электрона атома кислорода размещаются в квантовых ячейках следующим образом:

Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней в атомах выражается правилом Клечковкого: порядок заполнения определяется возрастанием суммы n+l, а при одинаковом ее значении первым заполняется подуровень с меньшим значением n в этой сумме. Например,

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s5d1(La)4f

(лантаноиды)5d6p7s6d1(Ac)5f(актиноиды)6d…

Принадлежность элемента к электронному семейству определяется характером заполнения энергетических подуровней: s-элементы – заполнение внешнего s-подуровня (например, литий 1s22s1), р-элементы – заполнение внешнего p-подуровня (например, фтор – 1s22s22p5), d-элементы – заполнение предвнешнего d-подуровня (например, ванадий – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s3d3), f-элементы – заполнение f-подуровня второго снаружи уровня (например, неодим – 1s2 2s2 2p2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f4).

Для d– и f-элементов возможны отклонения от описанного способа заполнения АО – так называемый провал электрона. Это явление связано с тем, что для атома устойчивым состоянием является полностью или наполовину заполненная АО, т.е. d10, d5, f14, f7. В ситуации, когда до достижения такого состояния не хватает одного электрона, он переходит («проваливается») с предыдущего уровня. Например, электронный паспорт серебра 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d9 с учетом провала электрона примет вид 1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d10.

Если на валентных энергетических уровнях имеются вакантные АО, то при получении электронами порции энергии (возбуждении атома) становится возможным «разъединение» валентных электронов, т. е. их переходы с тех подуровней, где все АО заняты полностью () или частично (), на другие валентные подуровни того же уровня, имеющие незаполненные АО. При этом с тех АО, которые в основном (соответствующем минимальной энергии атома) состоянии были заняты полностью, «уходит» по одному электрону последовательно, т.е. возможно несколько возбужденных состояний. Возбуждение меняет валентное состояние атома (число его неспаренных электронов).

Пример 1. Составить электронную формулу атома брома и графическую схему заполнения электронами валентных орбиталей в нормальном и возбужденном состояниях.

Решение. 1. Порядковый номер брома – 35, следовательно атом брома имеет 35 электронов. Бром находится в IV периоде периодической системы, следовательно, АО с n, равным 1; 2 и 3 заполнены полностью. Бром относится к p-элементам, следовательно, заполнен 4s-подуровень. В ряду 4p-элементов бром – пятый элемент, следовательно, на 4p-подуровне – пять электронов. Таким образом, электронная формула брома имеет вид 1s22s22p63s23p64s23d104p5.

2. Валентными орбиталями в этом атоме являются орбитали внешнего (четвертого) электронного слоя, т.е. 4s-, 4p– и незаполненные 4d-орбитали. Графически схема заполнения электронами этих орбиталей имеет вид

в таком состоянии бром имеет валентность 1, которой соответствуют степени окисления 1 и +1.

3. При затрате некоторой энергии спаренный p-электрон перейдет на свободную d-орбиталь. В этом первом возбужденном состоянии

бром имеет валентность 3, которой соответствует степень окисления +3.

4. При передаче атому брома еще некоторого количества энергии следующий p-электрон также перейдет на свободную d-орбиталь. Во втором возбужденном состоянии

бром имеет валентность 5, которой соответствует степень окисления +5.

5. При передаче атому брома еще некоторого количества энергии s-электрон также перейдет на свободную d-орбиталь. В третьем возбужденном состоянии

бром имеет валентность 7, которой соответствует степень окисления +7.

Пример 2. Составить электронные формулы атома селена в состояниях Se2 и Se+4 и графические схемы заполнения электронами валентных орбиталей.

Решение. 1. Cоставим электронную формулу атома селена (см. пример 1): 1s22s22p63s23p64s23d104p4. Графическая схема заполнения электронами валентных орбиталей имеет вид

2. Для получения Se2 необходимо к атому селена добавить два электрона на 4p-орбиталь (согласно правилу Клечковского). Тогда графическая схема примет вид

Электронная формула Se2 – 1s22s22p63s23p64s23d104p6.

3. Для получения Se+4 необходимо убрать четыре электрона с 4p-орбитали, атома селена:

Электронная формула Se+4 – 1s22s22p63s23p64s23d104p0.

Пример 3. Составить полную электронную формулу элемента, валентные электроны которого имеют конфигурацию 3d6, определить, к какому периоду таблицы Д.И.Менделеева принадлежит данный элемент.

Решение. Согласно правилу Клечковского 3d-элементы находятся в четвертом периоде таблицы Д.И.Менделеева. На данной орбитали находится шесть электронов, значит, это шестой по счету среди 3d-элементов, т.е. железо, полная электронная формула которого 1s22s22p63s23p64s23d6.

Задание I. Составить электронные формулы элементов, графические схемы заполнения электронами валентных орбиталей в спокойном и возбужденном состояниях, указать, к какому типу эти элементы относятся.

1. B, Al, Th.

2. Po, Ba, Lu.

3. Mg, Pm, Be.

4. Br, Co, Hf.

5. C, Tm, As.

6. Nd, Ca, V.

7. Ta, O, Ce.

8. Y, Rb, S.

9. At, Xe, Lr.

10. Cs, U, H.

11. Cl, Cu, Bi.

12. Na, Ac, Fe.

13. Pb, Ra, Dy.

14. Ag, Re, In.

15. Cd, K, Pa.

16. P, Se, Li.

17. Yb, Mn, Sn.

18. Mo, La, N.

19. Pu, Ni, Sb.

20. Au, Np, Rn.

21. Cr, Tl, Cm.

22. Si, I, Zr.

23. Tb, Sr, Bk.

24. Fr, Ti, W.

25. He, Hg, Gd.

26. Pt, Ne, Sm.

27. Ga, Ru, Ho.

28. Sc, Pr, Os.

29. Ar, Ir, Eu.

30. Zn, Rh, Er.

31. Kr, Pd, Am.

32. Ge, Cf, F.

Задание II. Составить электронные формулы атомов в указанных состояниях и графические схемы заполнения электронами валентных орбиталей.

33. Li+, C+2.

34. O2, F.

35. Na+, N3.

36. Ca+2, C+4.

37. Al+3, B3.

38. C4, Ba+2.

39. S+6, P3.

40. P+5, Cl1.

41. I+5, Fe+3.

42. Be+2, Co+3.

43. Cr+6, Cu+2.

44. I, P+3.

45. Cr+3, Br+3.

46. Ag+, Sn+4.

47. Zn+2, S2.

48. K+, Fe+2.

49. Zr+4, Pb+2.

50. N+5, Br.

51. Ni+2, Cl+5.

52. Se2, Cs+.

53. Te2, Sr+2.

54. Bi+3, Si4.

55. B+3, Sc+2.

56. Mg+2, Mn+7.

57. Cd+2, Sn+2.

58. Nb+3, Hg+.

59. Tl+, V+3.

60. Ti+4, Mn+2.

61. Os+3, Au+3.

62. Rb+, Ce+3.

63. Fr+1, Y+3.

64. H+, Re+7.

Задание III. Исходя из состояния валентных электронов, составить электронную формулу элемента в нулевой степени окисления. Определить, к какому периоду таблицы Д.И.Менделеева принадлежит данный элемент.

65. 4d1.

66. 3d10.

67. 4s13d10.

68. 5d2.

69. 6p2.

70. 6s14f145d10.

71. 4s23d5.

72. 4s13d5.

73.  7s26d1.

74. 5d3.

75. 6s24f2.

76. 6p1.

77. 5s14d5.

78. 4f3.

79. 6d15f3.

80. 5s24d5.

81. 5d8.

82. 5s14d10.

83. 5s24d10.

84. 5s2.

85. 5p3.

86. 6p4.

87. 4d6.

88. 5d6.

89. 5f7.

90. 5d6.

91. 5f2.

92. 4d7.

93. 5d14f7.

94. 4f10.

95. 4d8.

96. 5p6.

2.5: Структура атома

Цели обучения
  • Записывать и интерпретировать символы, изображающие атомный номер, массовое число и заряд атома или иона
  • Определение единицы атомной массы и средней атомной массы
  • Рассчитать среднюю атомную массу и содержание изотопов

Развитие современной атомной теории многое открыло о внутренней структуре атомов. Стало известно, что атом содержит очень маленькое ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, окруженное гораздо большим объемом пространства, содержащим отрицательно заряженные электроны.Ядро содержит большую часть массы атома, потому что протоны и нейтроны намного тяжелее электронов, тогда как электроны занимают почти весь объем атома. Диаметр атома составляет порядка 10 -10 м, тогда как диаметр ядра примерно 10 -15 м, то есть примерно в 100 000 раз меньше. Чтобы получить представление об их относительных размерах, рассмотрим следующее: если бы ядро ​​было размером с чернику, атом был бы размером с футбольный стадион (рис. \(\PageIndex{1}\)).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Если бы атом можно было увеличить до размеров футбольного стадиона, ядро ​​было бы размером с ягоду черники. (в центре кредита: модификация работы «babyknight» / Wikimedia Commons; право на авторство: модификация работы Паксона Вулбера).

Атомы и составляющие их протоны, нейтроны и электроны чрезвычайно малы. Например, атом углерода весит менее 2 \(\times\) 10 −23 г, а электрон имеет заряд менее 2 \(\times\) 10 −19 Кл (кулон).При описании свойств крошечных объектов, таких как атомы, мы используем соответственно малые единицы измерения, такие как атомная единица массы (а.е.м.) и фундаментальная единица заряда (е). Изначально аму определяли по водороду, самому легкому элементу, а затем по кислороду. С 1961 года он определяется в отношении наиболее распространенного изотопа углерода, атомам которого приписывается масса ровно 12 а.е.м. (Этот изотоп известен как «углерод-12», что будет обсуждаться далее в этом модуле.) Таким образом, одна а.е.м. равна ровно \(1/12\) массы одного атома углерода-12: 1 а.е.м. = 1,6605 \(\times\) 10 −24 г. (Дальтон (Да) и единая атомная единица массы (u) являются альтернативными единицами, эквивалентными а.е.м.) Фундаментальная единица заряда (также называемая элементарным зарядом) равна величине заряда электрона (е). с e = 1,602 \(\times\) 10 −19 C,

Протон имеет массу 1,0073 а. е.м. и заряд 1+. Нейтрон — это немного более тяжелая частица с массой 1.0087 а.е.м. и заряд ноль; как следует из названия, он нейтрален. Электрон имеет заряд 1– и представляет собой гораздо более легкую частицу с массой около 0,00055 а.е.м. (чтобы сравнять массу одного протона, потребуется около 1800 электронов. Свойства этих фундаментальных частиц приведены в таблице \(\PageIndex {1}\) (Внимательный ученик может заметить, что сумма субатомных частиц атома не равна фактической массе атома: общая масса шести протонов, шести нейтронов и шести электронов равна 12.0993 а.е.м., что немного больше, чем 12,00 а.е.м. фактического атома углерода-12. Эта «недостающая» масса известна как дефект массы, и вы узнаете об этом в главе о ядерной химии.)

Имя Местоположение Заряд (С) Плата за единицу Масса (а.е.м.) Масса (г)
электрон вне ядра \(−1. {−24}\)

Число протонов в ядре атома равно его атомному номеру (\(Z\)). Это определяющая черта элемента: его значение определяет идентичность атома. Например, любой атом, содержащий шесть протонов, является элементом углерода и имеет атомный номер 6, независимо от того, сколько в нем нейтронов или электронов. Нейтральный атом должен содержать одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, поэтому количество протонов равно количеству электронов.Следовательно, атомный номер также указывает на количество электронов в атоме. Суммарное количество протонов и нейтронов в атоме называется его массовым числом (А). Таким образом, количество нейтронов представляет собой разницу между массовым числом и атомным номером: A – Z = количество нейтронов.

\[\begin{align*}
\ce{атомный\: число\:(Z)\: &= \:число\: из\: протонов\\
масса\: число\:(A)\: & = \:число\: из\: протонов + число\: из\: нейтронов\\
AZ\: &= \:число\: из\: нейтронов}
\end{align*}\]

Атомы электрически нейтральны, если они содержат одинаковое количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Когда количество этих субатомных частиц равно , а не , атом электрически заряжен и называется ионом. Заряд атома определяется следующим образом:

Атомный заряд = количество протонов − количество электронов

Как будет более подробно рассмотрено далее в этой главе, атомы (и молекулы) обычно приобретают заряд, приобретая или теряя электроны. Атом, который получает один или несколько электронов, будет иметь отрицательный заряд и называется анионом. Положительно заряженные атомы, называемые катионами, образуются, когда атом теряет один или несколько электронов.Например, нейтральный атом натрия (Z = 11) имеет 11 электронов. Если этот атом потеряет один электрон, он станет катионом с зарядом 1+ (11 – 10 = 1+). Нейтральный атом кислорода (Z = 8) имеет восемь электронов, и если он получит два электрона, то станет анионом с зарядом 2– (8–10 = 2–).

Пример \(\PageIndex{1}\): Состав атома

Йод является важным микроэлементом в нашем рационе; он необходим для выработки гормона щитовидной железы. Недостаток йода в рационе может привести к развитию зоба, увеличению щитовидной железы (Рисунок \(\PageIndex{2}\)).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): (a) Недостаток йода в рационе может вызвать увеличение щитовидной железы, называемое зобом. (b) Добавление небольшого количества йода в соль, предотвращающее образование зоба, помогло устранить эту проблему в США, где потребление соли велико. (кредит а: модификация работы «Алмази»/Wikimedia Commons; кредит б: модификация работы Майка Моцарта)

Добавление небольшого количества йода в поваренную соль (йодированная соль) практически устранило эту проблему со здоровьем в Соединенных Штатах. , но до 40% населения мира по-прежнему подвержены риску дефицита йода.Атомы йода добавляются в виде анионов, каждый из которых имеет заряд 1- и массовое число 127. Определите количество протонов, нейтронов и электронов в одном из этих анионов йода.

Раствор

Атомный номер йода (53) говорит нам о том, что нейтральный атом йода содержит 53 протона в ядре и 53 электрона вне ядра. Поскольку сумма количества протонов и нейтронов равна массовому числу 127, количество нейтронов равно 74 (127 – 53 = 74).Поскольку йод добавляется в виде аниона 1–, число электронов равно 54 [53 – (1–) = 54].

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Ион платины имеет массовое число 195 и содержит 74 электрона. Сколько протонов и нейтронов он содержит и каков его заряд?

Ответить

78 протонов; 117 нейтронов; заряд 4+

Химические символы

Химический символ — это аббревиатура, которую мы используем для обозначения элемента или атома элемента.Например, ртуть обозначается как Hg (рис. \(\PageIndex{3}\)). Мы используем один и тот же символ для обозначения одного атома ртути (микроскопический домен) или для обозначения контейнера из многих атомов элемента ртути (макроскопический домен).

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Символ Hg представляет собой элемент ртути независимо от количества; он может представлять собой один атом ртути или большое количество ртути. из Википедии (пользователь: Materialscientist).

Символы для нескольких распространенных элементов и их атомов перечислены в таблице \(\PageIndex{2}\).Некоторые символы происходят от общего названия элемента; другие являются сокращениями имени на другом языке. Символы состоят из одной или двух букв, например, H для водорода и Cl для хлора. Чтобы избежать путаницы с другими обозначениями, только первая буква символа пишется заглавной. Например, Co — это символ кобальта, а CO — это соединение монооксида углерода, которое содержит атомы углерода (C) и кислорода (O). Все известные элементы и их символы есть в периодической таблице.

Элемент Символ Элемент Символ
алюминий Ал железо Fe (из железа )
бром Бр свинец Pb (из свинца )
кальций Са магний мг
уголь С ртуть Hg (из гидраргирум )
хлор Кл азот Н
хром Кр кислород О
кобальт Со калий К (из калия )
медь Cu (из меди ) кремний Си
фтор Ф серебро Ag (из argentum )
золото Au (от Aurum ) натрий Na (из натрия )
гелий Он сера С
водород Х олово Sn (из стали )
йод я цинк Цинк

Традиционно первооткрыватель (или первооткрыватели) нового элемента дает ему имя. Однако до тех пор, пока название не будет признано Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC), рекомендуемое название нового элемента основано на латинском слове (словах) для его атомного номера. Например, элемент 106 назывался уннилгексий (Unh), элемент 107 — уннилсептий (Uns), а элемент 108 — уннилокций (Uno) в течение нескольких лет. Эти элементы теперь названы в честь ученых или мест; например, элемент 106 теперь известен как сиборгий (Sg) в честь Гленна Сиборга, лауреата Нобелевской премии, который принимал активное участие в открытии нескольких тяжелых элементов.

Как элементы представлены в периодической таблице: https://youtu.be/ik6ZsaSyISo

Изотопы

Символ определенного изотопа любого элемента записывается путем размещения массового числа в виде надстрочного индекса слева от символа элемента (рисунок \(\PageIndex{4}\)). Атомный номер иногда записывается в виде нижнего индекса перед символом, но поскольку это число определяет идентичность элемента, как и его символ, его часто опускают. Например, магний существует в виде смеси трех изотопов, каждый из которых имеет атомный номер 12 и массовые числа 24, 25 и 26 соответственно.Эти изотопы можно идентифицировать как 24 Mg, 25 Mg и 26 Mg. Эти символы изотопов читаются как «элемент, массовое число» и могут быть обозначены в соответствии с этим чтением. Например, 24 Mg читается как «магний-24» и может быть записан как «магний-24» или «Mg-24». 25 Mg читается как «магний-25» и может быть записан как «магний-25» или «Mg-25». Все атомы магния имеют в ядре 12 протонов. Они отличаются только тем, что атом 24 Mg имеет в своем ядре 12 нейтронов, атом 25 Mg имеет 13 нейтронов, а атом 26 Mg имеет 14 нейтронов.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): символ атома указывает на элемент с помощью его обычного двухбуквенного символа, массового числа в виде левого верхнего индекса, атомного номера в виде левого нижнего индекса (иногда опускается) и заряда. как правый верхний индекс.

Информация о встречающихся в природе изотопах элементов с атомными номерами от 1 до 10 приведена в таблице \(\PageIndex{2}\). Обратите внимание, что в дополнение к стандартным названиям и символам изотопы водорода часто упоминаются с использованием общих имен и сопутствующих символов.Водород-2, обозначаемый как 2 H, также называется дейтерием и иногда обозначается как D. Водород-3, обозначаемый как 3 H, также называется тритием и иногда обозначается как T.

1
1 0 1.{22}_{10}Не}\) 10 10 12 21.9914 9,25

 Изотопы элементов: https://youtu.be/GhjLKMefo0M

Атомная масса

Поскольку каждый протон и каждый нейтрон вносят примерно одну а.е.м. в массу атома, а каждый электрон вносит гораздо меньший вклад, атомная масса отдельного атома приблизительно равна его массовому числу (целому числу).Однако средние массы атомов большинства элементов не являются целыми числами, потому что большинство элементов существуют в природе в виде смесей двух или более изотопов.

Масса элемента, указанная в периодической таблице или указанная в таблице атомных масс, представляет собой взвешенную среднюю массу всех изотопов, присутствующих в природном образце этого элемента. Это равно сумме массы каждого отдельного изотопа, умноженной на его относительную распространенность.

\[\mathrm{среднее\: масса}=\sum_{i}(\mathrm{дробное\: содержание\умножить на изотопный\: масса})_i\]

Например, элемент бор состоит из двух изотопов: около 19.9% всех атомов бора составляют 10 B с массой 10,0129 а.е.м., а остальные 80,1% составляют 11 B с массой 11,0093 а.е.м. Средняя атомная масса бора составляет:

.

\[\begin{align*}
\textrm{средняя масса бора} &=\mathrm{(0,199\times10,0129\: а.е.м.)+(0,801\times11,0093\: а.е.м.)}\\
&=\ mathrm{1.99\: аму+8.82\: аму}\\
&=\mathrm{10.81\: аму}
\end{align*}\]

Важно понимать, что ни один атом бора не весит ровно 10.8 а.е.м.; 10,8 а.е.м. — это средняя масса всех атомов бора, а отдельные атомы бора весят примерно 10 а. е.м. или 11 а.е.м.

Пример \(\PageIndex{2}\): расчет средней атомной массы

Метеорит, найденный в центральной Индиане, содержит следы благородного газа неона, поднятого солнечным ветром во время путешествия метеорита через Солнечную систему. Анализ пробы газа показал, что он состоял из 91,84 % 20 Ne (масса 19,9924 а.е.м.), 0,47 % 21 Ne (масса 20.9940 а.е.м.) и 7,69% 22 Ne (масса 21,9914 а.е.м.). Какова средняя масса неона в солнечном ветре?

Раствор

\[\begin{align*}
\mathrm{среднее\: масса} &=\mathrm{(0,9184\times19,9924\: а.е.м.)+(0,0047\times20,9940\: а.е.м.)+(0,0769\times21. 9914\: аму)}\\
&=\mathrm{(18.36+0.099+1.69)\:аму}\\
&=\mathrm{20.15\: аму}
\end{align*}\]

Средняя масса атома неона в солнечном ветре составляет 20,15 а.е.м. (Средняя масса земного атома неона равна 20.1796 а.е.м. Этот результат показывает, что мы можем обнаружить небольшие различия в распространенности изотопов в природе в зависимости от их происхождения. )

Упражнение \(\PageIndex{2}\)

Образец магния содержит 78,70 % атомов 24 Mg (масса 23,98 а.е.м.), 10,13 % атомов 25 Mg (масса 24,99 а.е.м.) и 11,17 % атомов 26 Mg (масса 25,98 а.е.м.). ). Рассчитайте среднюю массу атома Mg.

Ответить

24.31 а.е.м.

Мы также можем выполнять вычисления этого типа, как показано в следующем примере.

Пример \(\PageIndex{3}\): расчет процентной численности

Встречающийся в природе хлор состоит из 35 Cl (масса 34,96885 а.е.м.) и 37 Cl (масса 36,96590 а.е.м.) со средней массой 35,453 а.е.м. Каков процентный состав Cl в пересчете на эти два изотопа?

Раствор

Средняя масса хлора представляет собой долю, которая в 35 Cl умножается на массу 35 Cl, плюс фракция, которая в 37 Cl умножается на массу 37 Cl. {37}Кл)}\]

Если мы допустим, что x представляет собой дробь, которая равна 35 Cl, то дробь, которая равна 37 Cl, представлена ​​как 1,00 − x .

(Дробь 35 Cl + дробь 37 Cl должна в сумме давать 1, поэтому дробь 37 Cl должна равняться 1,00 − дробь 35 Cl.)

Подставив это в уравнение средней массы, мы получим:

\[\begin{align*}
\mathrm{35.453\: amu} &=(x\times 34,96885\: \ce{amu})+[(1,00-x)\times 36,96590\: \ce{amu}]\\
35,453 &=34,96885x+36,96590-36,96590 x\\
1.99705x &=1.513\\
x&=\dfrac{1.513}{1.99705}=0.7576
\end{align*}\]

Таким образом, решение дает: x = 0,7576, что означает, что 1,00 − 0,7576 = 0,2424. Следовательно, хлор состоит из 75,76 % 35 Cl и 24,24 % 37 Cl.

Упражнение \(\PageIndex{3}\)

Встречающаяся в природе медь состоит из 63 Cu (масса 62. 9296 а.е.м.) и 65 Cu (масса 64,9278 а.е.м.), со средней массой 63,546 а.е.м. Каков процентный состав Cu в пересчете на эти два изотопа?

Ответить

69,15 % Cu-63 и 30,85 % Cu-65

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Анализ циркония в масс-спектрометре дает масс-спектр с пиками, показывающими различные изотопы Zr.

Возникновение и естественное содержание изотопов можно определить экспериментально с помощью прибора, называемого масс-спектрометром.Масс-спектрометрия (МС) широко используется в химии, криминалистике, медицине, экологии и многих других областях для анализа и идентификации веществ в образце материала. В типичном масс-спектрометре (рис. \(\PageIndex{5}\)) образец испаряется и подвергается воздействию пучка электронов высокой энергии, который заставляет атомы (или молекулы) образца приобретать электрический заряд, как правило, путем потери одного или больше электронов. Затем эти катионы проходят через (переменное) электрическое или магнитное поле, которое отклоняет путь каждого катиона в степени, зависящей как от его массы, так и от заряда (аналогично тому, как путь большого стального шарикоподшипника, катящегося мимо магнита, отклоняется в меньшую сторону). степени, чем у небольшого стального BB).Ионы обнаруживаются, и строится график относительного количества образовавшихся ионов в зависимости от их отношения массы к заряду (масс-спектр ). Высота каждой вертикальной особенности или пика в масс-спектре пропорциональна доле катионов с заданным отношением массы к заряду. С момента своего первоначального использования во время развития современной атомной теории МС превратился в мощный инструмент для химического анализа в широком диапазоне приложений.

Видео \(\PageIndex{1}\) : Посмотрите это видео от Королевского химического общества, где представлено краткое описание основ масс-спектрометрии.

Определение среднего атомного веса элемента: https://youtu.be/bmP6Gr9zJiQ

Резюме

Атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Ядро содержит протоны и нейтроны; его диаметр примерно в 100 000 раз меньше диаметра атома. Массу одного атома обычно выражают в атомных единицах массы (а. е.м.), которую называют атомной массой. Аму определяется как ровно \(1/12\) массы атома углерода-12 и равна 1.6605 \(\раз\) 10 −24 г.

Протоны — относительно тяжелые частицы с зарядом 1+ и массой 1,0073 а.е.м. Нейтроны представляют собой относительно тяжелые частицы без заряда и массой 1,0087 а.е.м. Электроны — легкие частицы с зарядом 1– и массой 0,00055 а.е.м. Число протонов в ядре называется атомным номером (Z) и является свойством, определяющим элементную идентичность атома. Сумма чисел протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом и, выраженная в а.е.м., примерно равна массе атома.Атом нейтрален, когда он содержит одинаковое количество электронов и протонов.

Изотопы элемента – это атомы с одинаковым атомным номером, но разными массовыми числами; изотопы элемента, таким образом, отличаются друг от друга только числом нейтронов в ядре. Когда встречающийся в природе элемент состоит из нескольких изотопов, атомная масса элемента представляет собой среднее значение масс вовлеченных изотопов. Химический символ идентифицирует атомы в веществе с помощью символов, которые представляют собой одно-, двух- или трехбуквенные сокращения для атомов.

Ключевые уравнения

  • \(\mathrm{среднее\: масса}=\sum_{i}(\mathrm{дробное\: содержание \умножить на изотопный\: масса})_i\)

Глоссарий

анион
отрицательно заряженный атом или молекула (содержит больше электронов, чем протонов)
атомная масса
средняя масса атомов элемента, выраженная в а.е.м.
атомная единица массы (а.е.м.)
(также единая атомная единица массы, u или дальтон, Da) единица массы, равная \(\dfrac{1}{12}\) массы атома 12 C
атомный номер (Z)
число протонов в ядре атома
катион
положительно заряженный атом или молекула (содержащая меньше электронов, чем протонов)
химический символ
одно-, двух- или трехбуквенное сокращение, используемое для обозначения элемента или его атомов
Дальтон (Да)
альтернативная единица эквивалентна атомной единице массы
основная единица заряда
(также называемый элементарным зарядом) равняется величине заряда электрона (e) при e = 1. 602 \(\раз\) 10 −19 С
ион
электрически заряженный атом или молекула (содержит неравное количество протонов и электронов)
Массовый номер (А)
сумма числа нейтронов и протонов в ядре атома
единая атомная единица массы (е)
альтернативная единица эквивалентна атомной единице массы

Определение трехмерной поверхностной атомной структуры на уровне отдельных атомов с помощью атомно-электронной томографии с помощью нейронной сети демонстрируя поверхностные реконструкции и релаксации.Тем не менее, большинство методов характеризации поверхности либо ограничены 2D-измерениями, либо не достигают истинного 3D-разрешения в атомном масштабе, а определение 3D-атомной структуры поверхности на уровне отдельных атомов для обычных 3D-наноматериалов по-прежнему остается труднодостижимым. Здесь мы демонстрируем измерение трехмерной атомной структуры с точностью до 15 мкм с использованием наночастицы Pt в качестве модельной системы.

С помощью поиска недостающих данных на основе глубокого обучения в сочетании с атомной электронной томографией была надежно измерена атомная структура поверхности.Мы обнаружили, что грани <100> и <111> по-разному влияют на поверхностную деформацию, что приводит к анизотропному распределению деформации, а также к эффекту сжимающей опорной границы. Возможность характеристики поверхности на уровне одного атома не только углубит наше понимание функциональных свойств наноматериалов, но и откроет новые возможности для тонкой настройки их характеристик.

Тематические термины: Наночастицы, методы визуализации

Введение

Точное определение трехмерной поверхностной атомной структуры на уровне отдельного атома было основным интересом для широких научных сообществ, включая физику, материаловедение, химию и нанонауку.Из-за более низких координационных чисел поверхностные атомы часто демонстрируют существенные отклонения от своей объемной структуры 1 12 . Однако, особенно для металлических наночастиц, структура поверхности играет решающую роль в их каталитической активности, которая в настоящее время имеет большое технологическое значение в синтезе химических веществ 13 , борьбе с загрязнением воздуха 14 , а также в топливных элементах. 15 .Чрезвычайно важно полностью понять атомную структуру поверхности, чтобы точно настроить каталитические свойства для каждого применения.

Атомно-электронная томография (АЭТ) недавно была разработана как мощный инструмент для построения трехмерных структурных изображений на уровне отдельных атомов 16 , 17 , активно используется для измерения дефектов на атомном уровне 18 , 14 14 , трехмерная деформация 19 , 20 , химический порядок/беспорядок 18 и динамика нуклеации 21 . Однако часто из-за геометрических ограничений экспериментально измеряется только часть полного томографического углового диапазона (так называемая проблема «недостающего клина»), что приводит к артефактам удлинения и кольца Фурье вдоль направления отсутствующей информации на реконструированной томограмме 22 , 23 . Артефакт отсутствующего клина отрицательно влияет на точность определения атомной структуры поверхности по томограмме, являясь основным препятствием для точного определения трехмерной атомной структуры поверхности 18 .

На параллельном фронте подход нейронных сетей, основанный на глубоком обучении, недавно вызвал большой интерес со стороны специалистов по электронной микроскопии 24 27 . Он уже продемонстрировал успехи в поиске отсутствующих данных 25 , 26 и визуализации сверхвысокого разрешения 24 , 27 , 28 . В этой работе мы объединяем AET с нейронной сетью на основе глубокого обучения, основанной на принципе атомарности.Используя наночастицу Pt в качестве модельной системы, мы успешно восстановили недостающую информацию о клине и добились надежной реконструкции трехмерной атомной структуры поверхности.

Результаты

Подход к глубокому обучению

Основной идеей этого подхода, основанного на глубоком обучении, является атомарность — тот факт, что вся материя состоит из атомов. Это означает, что электронная томограмма с истинным атомным разрешением должна содержать только четкие трехмерные атомные потенциалы, свернутые с профилем электронного пучка.Таким образом, глубокая нейронная сеть может быть обучена с использованием смоделированных томограмм, которые страдают от артефактов (из-за отсутствия клина, недостаточных данных проекции, различных шумов и т. д.) в качестве входных данных, а трехмерные атомные объемы в качестве целей. Обученная сеть глубокого обучения эффективно дополняет несовершенные томограммы и удаляет артефакты. На рисунке показана наша архитектура расширения глубокого обучения (расширение DL), основанная на 3D-unet 29 (см. раздел «Методы»). Набор входных обучающих данных был сгенерирован путем моделирования процесса электронной томографии с использованием гранецентрированного куба (f.c.c.) на основе случайных атомных моделей, а целевой набор данных был подготовлен в виде трехмерных объемов, которые состоят из трехмерных гауссовских функций, расположенных в основных положениях атомов (см. раздел «Методы»). Для моделирования томографии серии томографических наклонов были получены путем линейного проецирования атомных потенциалов на основе атомных факторов рассеяния. Уширения из-за профилей электронного пучка и тепловых колебаний также учитывались при расчете серии наклонов путем введения B-фактора (см. раздел «Методы»).Использовались только ограниченные углы наклона (от -65° до +65°), а для имитации экспериментальных условий были добавлены шумы Пуассона. Трехмерные томограммы реконструировали из серии наклонов с использованием алгоритма GENFIRE 30 (см. раздел «Методы»). Как показано на рис. , смоделированные томограммы страдают от нежелательных артефактов вдоль вертикального направления (направление отсутствующего клина), и из-за этих артефактов определение истинной атомной структуры по необработанной томограмме затруднено.

Архитектура расширения глубокого обучения.

Аугментация глубокого обучения следует структуре 3D-unet (см. раздел «Методы»). Набор прямоугольников представляет собой карту объектов. Количество каналов указано под каждой картой объектов.

Симуляционный тест

Наша обученная сеть глубокого обучения была впервые протестирована с помощью моделирования на основе линейной проекции. Методом трассировки атомов по моделированным томограммам были определены 3D-координаты отдельных атомов (см. раздел «Методы»).По сравнению с наземной структурой правды (рис. ), необработанная томограмма явно страдает от артефактов, возникающих из-за отсутствия эффекта клина и шума; атомные интенсивности размыты, вытянуты и связаны с соседними атомами, и можно найти несколько неправильно идентифицированных атомов, особенно вблизи поверхности (рис.  ). Применение расширения DL на основе атомарности может успешно подавить артефакты (рис. ). Атомные интенсивности становятся хорошо локализованными, и большинство атомов можно правильно восстановить.Из пиков Фурье также ясно видно, что недостающая информация клина была успешно восстановлена ​​(дополнительный рисунок 1 ) с помощью подхода DL.

Эффект увеличения DL для смоделированных томограмм.

a e Трехмерные изоповерхности, построенные с 10% значениями изоповерхности (10% от максимальной интенсивности), представляющие наземную правду ( a ), линейная томограмма до ( b ) и после Аугментация DL ( c ), томограмма PRISM до ( d ) и после аугментации DL ( e ).Обратите внимание, что направление z является отсутствующим направлением клина. f o Срезы толщиной 2 Å, перпендикулярные направлению [001], полученные из трехмерных томограмм вблизи центральной области ( f j ) и у поверхности ( k o ). Наземная правда ( f , k ), линейная томограмма до ( g , l ) и после аугментации DL ( h , m ), томограмма PRISM до ( 9037 i 9037 ) ) и после увеличения DL ( j , o ).Фон в оттенках серого представляет реконструированную интенсивность, а синие точки представляют собой положения прослеживаемых атомов. Красные кружки обозначают неправильно идентифицированные атомы до увеличения DL, которые становятся правильно прослеживаемыми после увеличения DL. Шкала баров, 1 нм.

Чтобы имитировать истинные экспериментальные условия, включая динамическое рассеяние, каналирование и аберрации линзы, для дальнейшего тестирования дополнений DL было выполнено многосрезовое моделирование плосковолновой интерполированной матрицы рассеяния в обратном пространстве (PRISM) 31 (см. раздел «Методы»).Как и ожидалось, необработанные томограммы моделирования PRISM показывают больше артефактов вблизи поверхности по сравнению с линейным аналогом (рис.  ). Тем не менее, увеличение DL по-прежнему успешно уменьшало артефакты даже для томограмм, смоделированных с помощью PRISM, а выходные объемы были такими же, как и при линейном моделировании (рис. ).

Поскольку отслеженные координаты атомов можно количественно сравнить с истинной атомной моделью, мы провели статистический анализ на основе двух тестовых наборов данных по 1000 томограмм, каждый из которых был получен в результате линейного моделирования и моделирования PRISM соответственно.Усредненные ошибки отслеживания (процент неправильно идентифицированных атомов; см. Раздел «Методы») 6,8% (линейные) и 7,9% (PRISM) необработанных томограмм были уменьшены до 0,4% и 0,7% после увеличения DL соответственно (дополнительный рис. .  2а, б ). Кроме того, усредненные среднеквадратичные отклонения (RMSD) до аугментации до DL между истинными положениями атомов и прослеживаемыми положениями атомов составляли 34,5 пм (линейное) и 36,5 пм (PRISM), которые были существенно улучшены до 19,7 и 22. 15:00 после увеличения DL соответственно (дополнительная рис. 2e, f ).

Чтобы проверить надежность нашего подхода, сеть была обучена с двумя дополнительными наборами обучающих данных (один с аморфной структурой и один со структурой на основе ГЦК с другим B-фактором [см. раздел «Методы»]) и протестирована с тем же набор тестовых данных, используемый для тестирования оригинального расширения DL. Как видно на дополнительном рисунке 2 , независимо от базовой структуры наборов обучающих данных, все дополнения DL показывают согласованный результат и правильный f.Наземные структуры набора тестовых данных на основе c.c. были извлечены даже с помощью аугментации DL, обученной с помощью аморфных структур. Кроме того, мы применили расширение DL к смоделированным томограммам из различных атомных моделей, чтобы проверить, применим ли наш подход также для структур, отличных от близких к идеальным f.c.c. Мы сгенерировали наборы тестовых данных на основе следующих атомных структур: атомные структуры на основе ГЦК с различными уровнями вакансионных дефектов, аморфные атомные структуры с разными размерами, декаэдрические наночастицы с двойниковыми границами и f. атомные структуры на основе к.к. с более сильной поверхностной релаксацией (см. раздел «Методы»). Сеть аугментации DL демонстрирует значительное улучшение независимо от базовой модели входных объемов (дополнительные рисунки 3 9 ), поддерживая надежность подхода аугментации DL.

Чтобы оценить производительность нашего увеличения DL конкретно с точки зрения структуры поверхности, мы рассчитали ошибки отслеживания и среднеквадратичные отклонения для поверхностных атомов до и после увеличения DL.Для случая моделирования линейной проекции усредненная ошибка отслеживания поверхности на дополнительном рисунке 2c уменьшилась с 4,4 до 0,2%, а усредненное среднеквадратичное отклонение поверхности уменьшилось с 30,7 до 18,0 пм (дополнительный рисунок 2g ). Моделирование PRISM также показало существенное улучшение (усредненная ошибка трассировки поверхности 0,6% и усредненное среднеквадратичное отклонение поверхности 21,1 пм после увеличения DL). Эти результаты моделирования ясно демонстрируют, что увеличение DL может успешно уменьшить артефакты из-за недостаточности данных и шумов, сохраняя повышенную точность, особенно для поверхностных атомов.Аугментации DL, обученные с использованием различных наборов обучающих данных, также показали аналогичные улучшения (дополнительный рисунок 10 ).

Экспериментальное определение трехмерной атомной структуры наночастицы Pt

Затем мы применили расширение DL для экспериментального определения трехмерной атомной структуры поверхности наночастицы Pt. Эксперимент проводился с использованием сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM) с коррекцией аберраций, работающего в режиме кольцевого темного поля (ADF) (см. раздел «Методы»).Из наночастицы Pt диаметром 4 нм была получена серия наклонов из 21 изображения с углами наклона в диапазоне от -71,6 ° до + 71,6 ° (дополнительный рисунок 11 ). После постобработки изображения из серии наклонов была реконструирована 3D-томограмма с использованием алгоритма GENFIRE 30 (см. раздел «Методы»). На рисунке показана необработанная 3D-реконструкция наночастицы. К объему были применены процедуры отслеживания атомов и классификации, в результате чего была создана трехмерная атомная модель 1411 атомов Pt (рис.и см. раздел «Методы»).

Трехмерные карты плотности экспериментально измеренных томограмм наночастиц Pt и отслеженных координат атомов.

a , b Изоповерхности восстановленной трехмерной плотности построены с 40% и 15% значениями изоповерхности от максимальной интенсивности для томограмм до ( a ) и после ( b ) аугментации DL , соответственно. Направление z — это отсутствующее направление клина. c , d Реконструкция объемной интенсивности и прослеживаемых позиций атомов.Каждый срез представляет собой атомный слой, а синие точки указывают прослеживаемые трехмерные положения атомов до ( c ) и после ( d ) аугментации DL. Фоны атомных позиций в градациях серого представляют собой изоповерхности трехмерной плотности с 40% ( c ) и 15% ( d ) значения изоповерхности от максимальной интенсивности. Нарезанные слои перпендикулярны направлению [001]. Здесь использовалась аугментационная сеть DL, обученная атомной модели на основе ГЦК с Bфактором 5 Å 2 .Шкала баров, 1 нм.

Серьезные артефакты из-за проблемы отсутствия клина и шумов хорошо видны на рис.  и дополнительных рисунках. 12a , e, i, 13a–d . Реконструкция страдает от удлинения и нежелательного уменьшения интенсивности вблизи поверхности, особенно в направлении отсутствующего клина. Хотя многие из атомов правильно найдены при f.c.c. узлы решетки, некоторые атомы явно неправильно идентифицированы, а поверхностные атомы определены нечетко (рис. и дополнительный рис. 13 ). В этом случае для определения поверхности наночастиц часто используется 3D-маска. Однако маска зависит от пороговых параметров. Дополнительный рисунок 13 показывает зависимость параметра маски.

Для определения точной атомной структуры, включая поверхность, к необработанной томограмме было применено увеличение DL. На рисунке ясно видно, что атомные интенсивности в выходных данных, дополненных DL, хорошо изолированы с ожидаемой гауссовой формой, демонстрируя резкое улучшение по сравнению с необработанной реконструкцией.Отслеживание атомов в объеме, увеличенном с помощью DL, дало 1530 атомов; было успешно идентифицировано еще около 100 атомов (рис. ). Несколько отсутствующих атомов вблизи центральной области были восстановлены путем увеличения DL (рис. и дополнительный рис. 14 ). Профили атомов (дополнительные рисунки 15 , 16 ) ясно показывают, что удлинение вдоль направления отсутствующего клина успешно устраняется увеличением DL. Ожидаемый f.c.c. Структуры пиков Фурье также были хорошо восстановлены после увеличения DL, особенно вдоль направления отсутствующего клина (дополнительный рис. 12 ).

Далее мы рассчитали серию наклонных изображений прямой проекции из атомных моделей, полученных из необработанных томограмм и томограмм, дополненных DL, и сравнили их с экспериментальными сериями наклона путем расчета R-фактора (см. раздел «Методы»). R-фактор улучшился с 0,192 до 0,174 после увеличения DL. Кроме того, границы поверхности, особенно вдоль направления отсутствующего клина, теперь четко определяются после увеличения DL, что позволяет однозначно определять трехмерную атомную структуру поверхности без процесса маскирования, зависящего от параметра (дополнительный рис. 13 ).

Томографическое моделирование модели атома, полученной из DL-объема, с помощью томографии PRISM продемонстрировало точность идентификации атома 98,8% и точность определения координат атома 15,1 пм (см. раздел «Методы»). Мы количественно проанализировали улучшение, достигнутое за счет увеличения DL (дополнительный рисунок 17 ). Атомные структуры до и после аугментации DL показали разницу в 373 атома (25,4%). Около 60% разницы приходится на поверхность (251 атом).В основном это происходит из-за того, что неидентифицируемые поверхностные атомы (из-за отсутствия падения интенсивности, вызванного клином) успешно прослеживаются после увеличения DL (дополнительный рисунок 14 ). Мы дополнительно проверили наш подход, применив два других расширения DL, обученных моделями аморфных атомов и f.c.c. модели атомов с более четкими гауссовыми ширинами (т. е. меньшим Bфактором) (см. раздел «Методы»). Различия между атомными моделями, полученными из трех разных расширений DL, показали более высокую согласованность по сравнению с различиями между моделями до и после увеличения DL (дополнительный рис. 17 ). Кроме того, отсутствующие пиковые структуры Фурье, ожидаемые для f.c.c. были правильно реконструированы даже с увеличением DL, обученным моделями аморфных атомов (дополнительный рисунок 12c ).

Анализ деформации

Имея точные трехмерные координаты атомов, можно напрямую получить трехмерные смещения и тензор деформации. Сравнивая с идеальной к.к.к. решетка, трехмерные смещения и тензор деформации рассчитывались на основе трассированных атомных моделей (см. раздел «Методы»).Внеплоскостные смещения атомов в гранях <100> и <111> (рис. ) составили -10,2 ± 62,9 пм и -3,3 ± 41,2 пм соответственно. Однако часть поверхности наночастицы контактировала с подложкой SiN-мембраны (рис. ). Чтобы понять эффект подложки, были отдельно рассчитаны смещения атомов на гранях, контактирующих с подложками, в результате чего смещения вне плоскости составили -17,2 ± 86,5 пм для граней <100> и -21,7 ± 47,4 пм для < 111> грани.Для граней, не находящихся в контакте с подложкой, были получены средние внеплоскостные смещения -6,4 ± 45,6 пм (сжатие) и 5,3 ± 35,0 пм (растяжение) для граней <100> и <111> соответственно. Такое поведение (деформация сжатия для граней <100> и деформация растяжения для граней <111>) согласуется с результатом теоретического расчета 3 .

Фасеты, трехмерные смещения атомов и карты деформации наночастиц Pt.

a Общая атомная структура наночастицы Pt с подложкой SiN представлена ​​в виде черных и серых дисков. b d Идентифицированная структура граней наночастицы Pt, показаны все грани ( b ), <100> грани ( c ) и <111> грани ( d ). e Атомная структура наночастицы Pt, представленной в a , разделенной на слои одной ГЦК. толщина элементарной ячейки. Синие и черные атомы представляют собой атомы, отнесенные и не отнесенные к идеальной ГЦК. узлы решетки соответственно. f Смещения атомов вдоль кристаллографических осей. г штамма карты, представляющие шесть компонентов (ε xx , ε yy , ε zz , ε xy , ε xz , ε yz ) тензора деформации. Атомные смещения и тензоры деформации в каждой строке были рассчитаны из соответствующего среза, указанного черными стрелками в e . Эти расчеты были основаны на трассированной атомной модели из томограммы после применения DL-аугментации, обученной f.модели атомов на основе cc с Bфактором 5 Å 2 . Масштабная линейка, 2 нм.

Карта деформации (рис. ) показывает сильную деформацию сжатия в направлении x и деформацию растяжения в направлении y . Интересно, что деформация в направлении z показывает как деформацию сжатия (около грани [001]), так и деформацию растяжения (около грани [001¯]). Поведение анизотропной деформации, вероятно, связано с формой наночастицы, а также с границей раздела частица-подложка.Поэтому мы провели анализ формы, предполагая эллипсоидальную форму наночастицы (см. раздел «Методы»). Вертикальное направление (основная ось кратчайшего эллипсоида) наночастицы слегка наклонено по сравнению с направлением лабораторной координаты z (т. е. направлением электронного луча), как показано на дополнительном рисунке 18 . Когда наночастица переориентируется на основе ГЦК. кристаллографических осей для расчета деформации контакт между наночастицей и подложкой SiN становится расположенным в нижней правой части наночастицы (рис.).

Чтобы прояснить экзотическое поведение деформации, мы построили карту деформации в лабораторных координатах (дополнительный рисунок 19g ). Деформация растяжения преобладает в направлениях x и y по лабораторной координате, а сильная деформация сжатия возникает только вблизи поверхности раздела с SiN-мембраной (в направлении z по лабораторной координате). Это указывает на то, что сильная деформация сжатия, наблюдаемая вдоль направления [100] (рис. ), в основном связана с эффектом границы раздела частица-подложка.Мы также обнаружили, что деформация растяжения, наблюдаемая в направлениях [0   ±   10], является результатом соседних граней <111>, которые показывают явную деформацию растяжения (карты ε xx на дополнительном рисунке 20 ). Это объясняет противоположное поведение деформации вдоль направлений x и y на рис. Кроме того, карта деформации в лабораторной координате (дополнительный рисунок 19g ) показывает, что направленная деформация z ε zz демонстрирует постепенное изменение от растяжения (нижняя правая часть наночастицы) до сжатия (верхняя часть). левая часть).Хотя деформация сжатия ожидается в направлении z из-за преобладания граней <100>, на границе раздела частица-подложка наблюдается сильная деформация растяжения. Этот результат указывает на то, что структура поверхности наночастиц сильно зависит от граничных условий, и выбор материала носителя может критически повлиять на структуру, деформацию и связанное с ними каталитическое поведение.

Карты деформации были также рассчитаны из атомных структур, полученных из необработанной томограммы (не дополненной DL) и томограмм, дополненных двумя другими по-разному обученными сетями DL (с использованием аморфных моделей и меньшего Bfactor f.вк модели). Могут быть обнаружены некоторые различия (особенно вблизи поверхности) между необработанным случаем и случаями с DL-расширением, но карты деформации из томограмм с DL-расширением в целом очень согласуются, что подтверждает надежность подхода с DL-расширением (дополнительный рисунок 19 ). ).

Обсуждение

Таким образом, трехмерная атомная структура наночастицы была успешно определена на уровне отдельного атома с помощью AET с помощью нейронной сети. Используя наночастицу Pt в качестве модельной системы, мы продемонстрировали, что подход, основанный на атомарности, может надежно идентифицировать атомную структуру поверхности с точностью до 15 пм.Анализ атомных смещений, деформаций и фасеток показал, что атомная структура поверхности и деформация связаны не только с формой наночастиц, но и с границей раздела частица-подложка. В сочетании с квантово-механическими расчетами, такими как теория функционала плотности, возможность точной идентификации поверхностной атомной структуры послужит мощным ключом к пониманию свойств поверхности/интерфейса, таких как каталитическая производительность и эффект окисления.

Методы

Генерация наборов входных и целевых данных для обучения нейронной сети

Для обучения и тестирования нейронной сети DL, 12 000 (10 000 для обучения, 1000 для проверки и 1000 для тестирования) смоделированных томограмм (для входных данных) и Были созданы наземные трехмерные томограммы (для целевых данных). Смоделированные томограммы были подготовлены в соответствии с четырехэтапным процессом.

(1) Были созданы трехмерные объемы случайной формы без полости, объемы которых варьируются от 17 000 до 27 000 Å 3 . Затем атомы были помещены в трехмерные объемы на основе ГЦК-структуры с постоянной решетки 3,912 Å в случайной ориентации. Из атомных моделей, чтобы имитировать атомные структуры реалистичных наночастиц, некоторые проценты атомов (проценты, выбранные случайным образом между 0 и 0,5%) были случайным образом удалены для имитации атомных дефектов, а также было применено случайное пространственное смещение ~ 22 pm RMSD к каждому атом.

(2) Трехмерные объемы атомных потенциалов рассчитаны на основе трехмерных атомных структур. Атомные потенциалы получены преобразованием Фурье факторов рассеяния электронов 32 . Затем атомные потенциалы были свернуты с ядрами Гаусса для учета тепловых колебаний и эффекта размера электронного пучка. Стандартное отклонение ( σ ) ядра Гаусса составляет (Bфактор/2π2) ​​ 0,5 . B-факторы были выбраны случайным образом из распределения Гаусса со средним значением 5 Å 2 и стандартным отклонением 1 Å 2 .Средний B-фактор 5 Å 2 показал наилучшее соответствие между смоделированными проекциями и экспериментальными изображениями серии наклонов.

(3) Серия наклонов была создана путем получения линейных проекций трехмерных атомных потенциальных объемов при каждом угле наклона. Каждая серия наклонов состояла из 21 проекции с углами наклона от -65° до +65°. Размер каждой проекции составлял 144×144 пикселя с размером пикселя 0,357 Å. К проекциям были добавлены пуассоновские шумы для имитации эффекта шума в эксперименте.Для учета угловой ошибки, связанной с нестабильностью предметного столика в ходе эксперимента, к каждому углу наклона также добавлялись случайные угловые ошибки до ±0,3°.

(4) Трехмерные томограммы были реконструированы из серии наклонов и соответствующих углов наклона с использованием алгоритма GENFIRE 30 . Соглашение об осях было выбрано таким образом, что направление z является недостающим направлением клина. Для реконструкций GENFIRE используется метод интерполяции быстрого преобразования Фурье (БПФ), количество итераций 100, коэффициент передискретизации 2 и радиус интерполяции 0.3 были использованы.

Целевой набор данных (наземная правда) был сгенерирован с помощью шага 1, описанного выше. В положение каждого атома было помещено гауссово распределение интенсивности со стандартным отклонением ( σ ), которое соответствует Bфактору 4 Å 2 , что показало наилучшие результаты в наших тестах моделирования.

Для проверки надежности подхода расширения DL были созданы и протестированы два других набора обучающих данных: один со структурами на основе fcc с Bfactor 3.2 Å 2 , а другой основан на аморфных атомных структурах вместо ГЦК с использованием того же четырехэтапного процесса, описанного выше. Для случая аморфной структуры объемы находились в диапазоне от 23 000 до 34 000 Å 3 , а положения атомов были случайным образом размещены в объеме с ограничением минимального расстояния 2,0 Å до 99% плотности атомов по сравнению с плотностью атомов в ГЦК. структура была достигнута.

Создание дополнительных наборов тестовых данных для тестирования сети DL

Мы создали дополнительные наборы тестовых данных на основе четырех различных атомарных моделей: f.модели атомов на основе к.ц.у. с разным уровнем вакансионных дефектов, модели малых (около 1 нм) аморфных атомов, модели атомов наночастиц декаэдрической формы с двойниковыми границами и модели атомов на основе г.ц.к. с различными пространственными смещениями атомов ядра и поверхности.

В случае атомных моделей на основе ГЦК с различными уровнями вакансионных дефектов мы смоделировали три различных набора тестовых данных, используя уровни вакансионных дефектов 5%, 10% и 20% соответственно.Мы следовали той же процедуре создания набора данных атомных моделей на основе ГЦК с Bфактором 5 Å 2 ; единственная разница здесь заключается в уровне дефектов вакансий, который выбирался случайным образом между 0% и 5%, 10% и 20% соответственно. Во-вторых, небольшие аморфные модели (диаметром около 1 нм) были созданы в соответствии с процедурой создания модели аморфного атома с Bфактором 5 Å 2 . Разница лишь в том, что в данном случае каждый объем находится в пределах от 3400 до 5700 Å 3 (около 200–300 атомов).В-третьих, атомная модель наночастицы Pt декаэдрической формы с двойниковыми границами 33 использовалась для создания различных томограмм путем применения случайного кадрирования/вращения/перемещения и введения 0,5% дефекта вакансий. В-четвертых, чтобы имитировать истинную структуру поверхности наночастиц Pt, мы создали атомные модели на основе ГЦК с более сильными пространственными смещениями вблизи поверхности. Следуя той же процедуре создания атомных моделей на основе ГЦХ с Bфактором 5 Å 2 , пространственные смещения 22 и 50 пм СКО были случайным образом применены к атомам ядра и поверхности соответственно.Мы создали наборы данных из 100 томограмм для каждой модели. Обратите внимание, что для моделирования наночастицы Pt декаэдрической формы было использовано 27 изображений серии наклонов (вместо 21), а углы наклона были выбраны в диапазоне от -75° до +75°, поскольку разрешение двойных граничных структур требовало более высокого разрешения. – качественная томограмма. Эти атомарные модели использовались в качестве наборов тестовых данных, чтобы проверить, смещена ли сеть расширения DL в сторону базовой атомарной структуры наборов обучающих данных (дополнительные рис. 3 8 ), и результат ясно показывает, что обученная сеть аугментации DL хорошо работает даже для тестовых наборов данных с атомарными структурами, отличными от структур обучающих наборов данных.

Оптимизация B-фактора для входных данных для обучения

Ширина гауссовского уширения в результате размера электронного луча и тепловой вибрации была определена для получения данных для обучения, согласующихся с экспериментальными данными. Трехмерная функция Гаусса 11 × 11 × 11 вокселей была подобрана к усредненным 11 × 11 × 11 вокселям, извлеченным из положений локальных максимумов экспериментальной трехмерной томограммы наночастицы Pt.Оптимизированный B-фактор (σ2×2π2) был определен как 5 Å 2 .

Моделирование PRISM STEM для набора тестовых данных

Следуя тому же соглашению, что и при создании обучающих данных, с помощью моделирования PRISM было сгенерировано 1000 смоделированных серий наклона 31 , 34 . Расчеты PRISM проводились со следующими параметрами: энергия электронов 300 кэВ, аберрация −775 нм C 3 , аберрация 378 мкм C 5 , полуугол сходимости 25,1 мрад, внутренний и внешний полуугол детектора 40 и 200 мрад. , коэффициент интерполяции 8 и толщина среза 2 Å.Каждое наклонное изображение свертывалось с помощью функции Гаусса с коэффициентом B 5 Å 2 . Кроме того, к каждому углу наклона добавлялись случайные угловые ошибки до ±0,3°. Трехмерные реконструкции были рассчитаны из полученных серий наклонов с использованием алгоритма GENFIRE 30 с теми же параметрами реконструкции, которые указаны выше.

Архитектура расширения глубокого обучения и обучение

Размер входных и выходных данных для расширения DL на основе нейронной сети составлял 144×144×144 вокселя.На рисунке показана структура нашей нейронной сети на основе 3D-сети. Для вычислительной эффективности сеть была разработана таким образом, чтобы уменьшать размер карт объектов по мере того, как слой становится глубже. Кодер состоит из двух сверток 3×3×3 с шагом 2 и двух максимальных объединений 2×2×2 для понижения частоты дискретизации. Мост, соединяющий кодер и декодер, состоит из одной свертки 3×3×3 с шагом 1. Декодер состоит из четырех транспонированных сверток 3×3×3 с шагом 2 для повышающей дискретизации и двух сверток 3×3×3 с шагом 1.В качестве функции активации использовалась Leaky Rectified Linear Unit (LReLU) 35 с коэффициентом утечки 0,2, за исключением соединений от последнего слоя к конечному выходу, где использовалась обычная ReLU 36 . Метод Dropout 37 использовался для 1-го, 5-го и 9-го слоев для предотвращения переобучения. Функция потерь представляла собой среднеквадратичную ошибку, и использовался оптимизатор Adam 38 со скоростью обучения 2×10−4.

Три разные нейронные сети (т. е. аугментации DL) были обучены с использованием трех различных входных и целевых наборов данных, соответственно, которые представляют собой наборы данных, сгенерированные (i) атомной моделью на основе ГЦК + Bфактор 5 Å 2 , (ii ) модель атома на аморфной основе + Bфактор 5 Å 2 и (iii) модель атома на основе ГЦК + Bфактор 3,2 Å 2 .

Чтобы выбрать правильное количество томографических 3D-объемов для обучения, мы протестировали различные входные объемы и обнаружили, что для получения согласованных результатов достаточно использования более 5000 объемов.На дополнительном рисунке 21 показана эволюция потерь при проверке во время обучения на основе 5000 и 10 000 тренировочных объемов, и они показывают аналогичный уровень функции потерь. Поэтому мы использовали 10 000 тестовых объемов для обучения сети расширения DL.

Чтобы предотвратить переоснащение и найти правильное количество эпох для обучения, мы отслеживали кривые обучения в процессе обучения. Общее количество эпох было установлено равным 100 для каждого обучения. Кривые обучения на дополнительном рис. 22 показывают, что процессы обучения всех трех сетей DL успешно сошлись через ~50–70 эпох без признаков переобучения.

Получение данных STEM

Чистые наночастицы Pt были приобретены у nanoComposix, поставлялись в водном растворе 2 мМ цитрата натрия. Раствор наносили каплями на сетку SiN-мембраны толщиной 5 нм и отжигали в вакууме при 150 °C в течение 24 часов. Серия томографических наклонов была получена с использованием трансмиссионного электронного микроскопа с коррекцией Titan Double Cs (Titan cubed G2 60-300).Изображения были получены при напряжении 300 кВ в режиме кольцевой сканирующей просвечивающей электронной микроскопии в темном поле с внутренним и внешним полууглами детектора 40 мрад и 200 мрад соответственно. Полуугол схождения пучка составлял 25,1 мрад. Всего было получено 21 изображение серии наклонов для углов наклона в диапазоне от -71,6° до 71,6°. Для каждого угла наклона были измерены три последовательных изображения 1024×1024 с временем задержки 4 мкс, током пучка 15,1 пА и размером пикселя 0,357 Å. Суммарная доза электронов для всей серии наклонов составила 1.86×105 еÅ -2 . Чтобы проверить возможность структурного изменения из-за электронного луча во время сбора данных серии наклонов, сразу после эксперимента снова была измерена проекция с нулевым градусом. Частица была немного повернута (углы Эйлера ( z y ′ – x ″ соглашение) {ψ:4∘,θ:−3,5∘,φ:1∘}) во время эксперимента, но проекция нулевого градуса после эксперимента соответствовала линейной проекции окончательной модели атома, полученной из AET (после применения вращения), что свидетельствует о том, что атомная структура не изменилась во время эксперимента (дополнительный рис. 23 ).

Постобработка изображения, реконструкция GENFIRE, постобработка томограммы

Постобработка изображения (коррекция дрейфа, коррекция искажения сканирования, шумоподавление BM3D -метод масс и общих линий) проводили, как описано в предыдущих работах 18 21 . Также для удаления нежелательных высокочастотных шумов применен ФНЧ круглой формы диаметром 2.35 Å -1 (край фильтра был слегка сглажен на 0,07 Å -1 ) перед процессом шумоподавления BM3D.

После постобработки изображения была рассчитана 3D-реконструкция с использованием алгоритма GENFIRE 30 . Чтобы уменьшить ошибку угла наклона и улучшить качество реконструкции, также были проведены угловое уточнение и пространственное выравнивание на основе GENFIRE 21 , 30 . После углового уточнения окончательная 3D-реконструкция была получена путем запуска алгоритма GENFIRE 30 со следующими параметрами: метод интерполяции с дискретным преобразованием Фурье (DFT), число итераций 1000, передискретизация 4 и радиус интерполяции 0.1. Для удаления перцеподобных высокочастотных шумов последовательно применялись апсэмплинг и даунсэмплинг (биннинг). Для согласования шкалы интенсивности между экспериментальной томограммой и томограммами, используемыми для обучения нейронной сети, был рассчитан масштабный коэффициент. Интегральные интенсивности для вокселей 3×3×3 вблизи всех прослеживаемых положений атомов усреднялись как для экспериментальных, так и для смоделированных трехмерных объемов соответственно. Отношение двух усредненных интегрированных интенсивностей использовалось в качестве коэффициента масштабирования и применялось к экспериментальной томограмме перед запуском DL-аугментации. Томограмма с DL-аугментацией была получена путем применения DL-аугментации, обученной набором данных на основе fcc с Bfactor 5 Å 2 .

Идентификация трехмерных координат атомов: отслеживание атомов

Из необработанных и дополненных DL трехмерных томограмм трехмерные координаты атомов были получены с помощью процедуры отслеживания атомов 18 , 21 следующим образом. Сначала по 3D-томограмме были найдены положения всех локальных максимумов и отсортированы по интенсивности в порядке убывания от наиболее интенсивного.Во-вторых, после кадрирования 5×5×5 вокселей с центром в каждом локальном максимуме для каждого кадрированного объема была подобрана трехмерная функция Гаусса. Начиная с локального максимума наибольшей интенсивности, подобранная позиция добавлялась в список трассируемых атомов, если все расстояния между положением вновь подобранного максимума и позициями, уже входящими в список, превышали 1,8 Å.

Полученные локальные максимумы представляли собой смесь собственных атомов Pt и пятен слабой интенсивности (не атомов), происходящих от артефактов реконструкции. Локальные максимумы были классифицированы на собственные атомы Pt и неатомы, следуя методу объективной классификации, описанному в ссылках. 18 , 21 .

Чтобы завершить трехмерную атомную структуру из томограммы с DL-аугментацией, была применена ручная коррекция для добавления (или удаления) физически (не)разумных атомов-кандидатов. Во время этого процесса использовалось ограничение минимального расстояния 1,6 Å. Всего вручную было добавлено 8 атомов и вручную удалено 9 атомов. Для проверки работоспособности та же процедура отслеживания атомов была применена к томограммам, дополненным двумя по-разному обученными сетями (обученными на наборе данных на основе аморфной модели, обученными с помощью f.набор данных на основе cc с Bfactor 3,2 Å 2 ). Для получения этих результатов вручную добавляли 7 и 8 атомов и вручную удаляли 32 и 5 атомов соответственно.

Для измерения ошибки между экспериментальными и смоделированными изображениями STEM использовался R-фактор 18 , 19 , 21 . Мы рассчитали R-фактор между экспериментальной серией наклонов и линейными проекциями конечных 3D-моделей атомов по томограмме после аугментации DL, обученной f.Модели атомов на основе cc с Bfactor 5 Å 2 (дополнительный рисунок 23 ). Усредненный R-фактор составил 0,173. Кроме того, были рассчитаны усредненные R-факторы путем сравнения экспериментальных изображений и линейных проекционных изображений атомных структур из томограмм, дополненных двумя разными DL-сетями (обученными атомными моделями на аморфной основе с Bфактором 5 Å 2 и ГЦК- на основе атомных моделей с Bфактором 3,2 Å 2 ). Они были определены как 0.182 и 0,176 соответственно. Обратите внимание, что атомные структуры, полученные из томограмм с DL-аугментацией, были скорректированы вручную, как описано выше. Чтобы правильно сравнить результаты до и после увеличения DL, мы также рассчитали R-факторы атомных структур до и после увеличения DL без ручных поправок. Усредненные R-факторы атомных структур из необработанной томограммы и томограмм после применения трех разных сетей DL (обученных f. c.c.атомные модели на основе 5 Å 2 , модели атомов на аморфной основе с Bфактором 5 Å 2 и атомные модели на основе ГЦК с Bфактором 3,2 Å 2 ) были определены как 0,192, 0,174, 0,182. и 0,177 соответственно. R-фактор явно снижается после увеличения DL, а также R-факторы, полученные из исправленных вручную атомных моделей, лучше, чем из нескорректированных. Атомная структура, полученная в результате аугментации DL, обученной f.Атомные структуры на основе cc с Bfactor 5 Å 2 показали наилучшее соответствие экспериментальным изображениям STEM.

Определение атомов поверхности

Для анализа поверхности атомы поверхности были определены с использованием алгоритма альфа-формы 41 с коэффициентом сжатия 0,5. Этот метод применялся как для модельных, так и для экспериментальных данных. Для экспериментально измеренной наночастицы Pt количество атомов на поверхности составляло 248 и 419 атомов до и после увеличения DL соответственно.

Расчет ошибки трассировки

Мы определили ошибку между двумя наборами атомарных координат (так называемая ошибка трассировки). Для сопоставления обычных пар атомов использовался порог расстояния 1,2 Å (меньше половины длины ковалентной связи Pt). Количество необычных атомов (и поверхностных необычных атомов) определялось как общая сумма числа (поверхностных) атомов в первой атомной модели, но не во второй атомной модели, плюс количество (поверхностных) атомов во второй атомной модели. но не в первой атомной модели.Затем (поверхностные) ошибки отслеживания были рассчитаны как отношение количества (поверхностных) необычных атомов к общему количеству (поверхностных) атомов в атомной модели наземной истины (дополнительные рисунки 2 , 3 , 5 , 7 9 ). Если наземная правда недоступна (как в случае экспериментальных данных), отношение рассчитывалось к среднему общему количеству атомов двух сравниваемых атомных моделей (дополнительные рисунки 10 и 17 ).

Прецизионный анализ экспериментальных данных с помощью моделирования PRISM STEM

. Серия наклонов из 21 проекционного изображения была рассчитана на основе экспериментально определенной трехмерной атомной модели с помощью моделирования PRISM 31 , 34 с использованием тех же параметров, описанных выше, с коэффициентом интерполяции 2, без добавления угловых ошибок.Трехмерная реконструкция была рассчитана с использованием алгоритма GENFIRE 30 . Скорректированная томограмма была получена путем применения DL-аугментации к 3D-реконструкции. Атомные модели были получены как из необработанных томограмм, так и из томограмм, дополненных DL, с применением процедуры отслеживания атомов. Количество прослеживаемых атомов на томограммах PRISM до и после применения DL-аугментации составило 1494 и 1511 атомов соответственно. Процент общих атомов (точность идентификации атомов) между исходной 3D-моделью атома и моделями, отслеженными PRISM, составлял 96. 5% (1476 атомов) и 98,8% (1511 атомов) до и после увеличения DL соответственно. СКО общих пар атомов (точность наших атомных структур) составляли 26,1 (до DL) и 15,1 пм (после DL).

Анализ фасет, поле смещения и расчет на карте штамма

атомных смещений и 6 компонентов тензора 3D-деформации (ε xx , ε yy , ε zz 119, ε xy , ε xz , ε yz ) были рассчитаны путем сравнения экспериментально наблюдаемой трехмерной атомной структуры с идеальной f.вк решетка 20 . Трехмерная атомная структура была отнесена к идеальной Г.Ц.К. решетки с помощью следующей процедуры. Во-первых, в качестве источника Г.Ц.К. был выбран исходный атом. решетка. Тогда идеальная Pt г.к.к. рассчитывались положения ближайших соседей атома. Для каждого ближайшего соседнего положения, если был атом на расстоянии 0,76 Å (27,5% длины ковалентной связи Pt), атом добавлялся к соответствующей Г. ц.к. узел решетки. Поиск ближайшего соседа повторялся для всех вновь назначенных f.вк узлы решетки. Процесс повторялся до тех пор, пока в решетке не осталось атомов. Во-вторых, новый f.c.c. решетка была подогнана (параметры подгонки: перемещение, трехмерное вращение и постоянная решетки) к атомам, назначенным решетке. Эти два шага были повторены с использованием недавно подобранной f.c.c. решетки до тех пор, пока разница между старой и новой постоянной решетки не станет меньше 10 5 Å. После этого процесса 97,1% атомов были успешно отнесены к f.вк узлы решетки и среднеквадратическое среднеквадратическое отклонение между заданными положениями атомов и подогнанной ГЦК. решетка составляла 64,01 мкм. Подогнанный f.c.c. постоянная решетки составляла 3,85 Å.

Грани <100> и <111> определялись как крайние атомные плоскости, перпендикулярные направлениям <100> или <111>, которые включают более 10 атомов. Общее число атомов на гранях <100> и <111> составило 160 и 226 соответственно. Внеплоскостные и плоскостные смещения атомов между подобранными f.вк решетки и назначенные положения атомов для атомов на каждой грани были рассчитаны. Средние внеплоскостные смещения атомов граней <100> и <111> были определены как -10,2 ± 62,9 пм и -3,3 ± 41,2 пм соответственно (знак минус означает смещение внутрь, а неопределенность означает стандартное отклонение атомные смещения). Для усредненных перемещений в плоскости 55,4 ± 33,3 пм и 65,0 ± 34,6 пм наблюдались для граней <100> и <111> соответственно. Сравнивая количество атомов в гранях <100> и <111>, оказалось, что числа атомов на [100], [1¯00], [010], [01¯0], [001] и [001 ¯] граней было 35, 32, 34, 22, 16 и 21 соответственно.И числа атомов на [111], [111¯], [11¯1], [1¯11], [11¯1¯], [1¯11¯], [1¯1¯1] и [1¯1¯1¯] граней было 27, 27, 20, 15, 45, 37, 25 и 30 соответственно. Мы обнаружили, что грани, близкие к границе раздела частица-подложка (фасеты [100], [001¯], [111¯] и [11¯1¯]), в основном ответственны за сильную деформацию сжатия (рис.   и дополнительные рис. 19 , 20 ).

Поле смещения атомов было отображено на кубической сетке с применением ядра Гаусса со стандартным отклонением 5.5 Å к измеренным смещениям атомов. Трехмерные карты тензора деформации были получены путем взятия производных от карты смещения.

Аналогичный анализ был проведен для атомных структур из необработанной томограммы, томограммы, дополненной аморфной сетью DL, обученной моделью, и томограммы, дополненной f.c.c. модель с Bфактором 3,2 Å 2 сеть DL, обученная моделью. Доля атомов, успешно отнесенных к f.c.c. узлы решетки составляли 91,3%, 95,9% и 97,6% соответственно. СКО между каждым установленным f.вк решетка и заданные атомные структуры были 86,35, 73,74 и 64,39 пм соответственно.

Подгонка эллипсоида для наночастицы Pt

Для анализа формы наночастицы Pt мы подобрали эллипсоид к определенной атомной структуре поверхности. Чтобы найти ближайший эллипсоид, положения определенных атомов поверхности были использованы для соответствия параметрам уравнения эллипсоида 42 . Подогнанные главные полуоси эллипсоида были определены как [0.92, 0,36, 0,15], [0,38, -0,92, -0,11] и [-0,10, -0,15, 0,98] (в лабораторных координатах) с соответствующими длинами 20,0, 16,9 и 13,6 Å соответственно.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Атомная структура – ​​обзор

1.1 Введение

Атомная структура и микроструктура (например, размер зерна) материала определяют его свойства. Одним из проявлений этого являются совершенно разные свойства полиморфов углерода: алмаз — твердый прозрачный изолятор, а графит — мягкий непрозрачный полуметалл. Еще большее разнообразие свойств можно найти в фуллереновых и нанотрубчатых формах углерода. То же самое верно и для металлических тонких пленок. Химически неупорядоченный гранецентрированный кубический (ГЦК) FePt является магнитомягким, в то время как химически упорядоченный гранецентрированный тетрагональный (ГЦТ) FePt (чередующиеся плоскости чистого Fe и Pt) является магнитно-жестким и полезен для хранения магнитных полей (Weller et al. , 2000). Следовательно, чтобы понять свойства материалов и разработать более качественные материалы, важно точно охарактеризовать атомную структуру материала (где находятся атомы) и микроструктуру (дефекты, размер кристаллитов).Зная свойства и структуру материала, а также условия синтеза, можно построить классический треугольник структура-функция-обработка.

Одним из основных методов структурной характеристики является дифракция рентгеновских лучей (XRD). При типичном рентгенодифракционном измерении тонкой пленки падающие рентгеновские лучи падают на пленку и преломляются под разными углами. Эти дифрагированные рентгеновские лучи (формирующие пики Брэгга) затем собираются. Обычно это делалось последовательно (с пошаговым сканированием), но теперь часто выполняется параллельно с площадным детектором.Затем картина зависимости интенсивности от угла представляет собой картину дифракции (или обратного пространства) пленки. Из измерений XRD можно многое узнать: присутствующие фазы, размер кристаллитов, деформацию решетки, кристаллографическую текстуру (ориентация кристаллитов) и дефекты (дефекты упаковки, распределение деформации). Однако доступный уровень детализации зависит от особенностей исследуемых пленок, таких как толщина и степень текстуры.

Рентгеновское рассеяние на тонких пленках может быть слабым, особенно если структура пленки неупорядочена.Тем не менее, интенсивные высококоллимированные рентгеновские лучи в настоящее время обычно получают от мощных обычных ламповых источников или источников с вращающимся анодом, а также от синхротронов. Действительно, эти источники в сочетании со сложными схемами обнаружения делают измерение даже субмонослойных толстых пленок материалов с низким атомным номером обычным делом (Mannsfeld et al. , 2009).

В этой главе мы опишем в виде руководства XRD с акцентом на применение к тонким металлическим пленкам. Мы рассматриваем поликристаллические пленки (с любой степенью кристаллографической текстуры), а не эпитаксиальные пленки.Есть много превосходных обзорных статей и текстов как по поликристаллическим, так и по эпитаксиальным пленкам для читателей, которым нужна большая глубина (Tolan, 1999; Birkholz, 2006; Snyder и др. , 1999). Мы начнем с введения и описания обратного пространства — пространства преобразования Фурье, в котором живет XRD. Этот раздел начинается с краткого обзора кристаллической структуры и решеток, а также основ теории дифракции на уровне закона Брэгга. Одной из сильных сторон XRD является способность идентифицировать и количественно определять различные фазы, присутствующие в пленке.Это объясняется в разделе 1.3, а в разделе 1.4 мы подробно останавливаемся на количественном определении фаз для конкретного случая химического порядка в металлических сплавах. Характеристика микроструктуры материала важна, и в разделе 1.5 мы обсуждаем дефекты и микроструктуру, а также способы их изучения с помощью XRD. Это дополнительно расширено в разделе 1.7, где разъясняется кристаллографическая текстура (распределение ориентации кристаллитов). Наконец, последний раздел описывает некоторые экспериментальные аспекты измерений XRD.

Что внутри атома?

Вы когда-нибудь смотрели на окружающий мир и ЗАДАВАЛИСЬ тем, из чего сделаны вещи? По мере того, как вы начинаете более внимательно наблюдать за вещами, вы понимаете, что есть много уровней, на которых вы можете исследовать вещи.

Например, рассмотрим вкусное угощение у костра, которое мы называем смор. Из чего это сделано? Это просто! Он сделан из шоколада, зефира и крекера. Впрочем, можно копнуть глубже.

Из чего сделан шоколад? Что вообще такое зефир? Как были сделаны крекеры Грэм? Если вы посмотрите на список ингредиентов на плитке шоколада, упаковке зефира и коробке крекеров, вы поймете, что это гораздо больше, чем кажется на первый взгляд.

Ученые давно поняли, что это в значительной степени верно в отношении всего окружающего нас мира: существует гораздо больше, чем кажется на первый взгляд. На самом деле мельчайшие строительные блоки материи, называемые атомами, можно «увидеть» только с помощью мощных электронных микроскопов.

Атом — это мельчайшая частица элемента, которая может существовать сама по себе. Другими словами, если у вас есть слиток чистого золота, наименьшая частица, которая может существовать сама по себе и при этом считаться золотом, будет одним атомом золота.

Атомы состоят из трех первичных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Нейтроны и протоны вместе составляют плотный центр атома, известный как ядро. Электроны вращаются в оболочках в пространстве вокруг ядра.

Нейтроны не имеют заряда, в то время как электроны имеют отрицательный заряд, а протоны имеют положительный заряд. Эти заряды ответственны за электромагнитную силу, которая удерживает электроны на орбитах вокруг ядра.

Атомы — любопытные частицы, если подумать о них.Почти вся масса атома приходится на протоны и нейтроны в ядре. Однако, поскольку электроны вращаются вокруг ядра, большая часть атома представляет собой пустое пространство! На ядро ​​приходится лишь приблизительно 1/10 000 th размера атома.

Вы не можете увидеть атомы невооруженным глазом, потому что они слишком малы. Используя электронные микроскопы, ученые смогли изучить атомы.

Диаметр атома составляет приблизительно 1/10 th нанометра.Это примерно в 100 000 раз тоньше средней пряди человеческого волоса. Если провести прямую линию из 43 миллионов атомов железа, расположенных рядом, длина линии составит всего один миллиметр.

Если вся материя состоит из атомов, как мы получаем различные элементы? Все зависит от внутренней структуры атомов. У каждого элемента есть атомы с уникальной структурой и разным количеством протонов. Например, каждый атом водорода имеет один протон, а каждый атом углерода имеет шесть протонов.

Некоторые элементы имеют более одной формы. Другие формы, называемые изотопами, имеют такое же количество протонов, но другое количество нейтронов. Например, водород, который обычно не имеет нейтронов, имеет два изотопа: дейтерий с одним нейтроном и тритий с двумя нейтронами.

This Month in Physics History

6 марта 1913 года: Бор описывает свою модель атома Резерфорду


Нильс Бор и Альберт Эйнштейн в 1925 году

Классическая схема атома изображает маленькое ядро ​​и электрон, вращающийся вокруг него по фиксированной орбите, и стала мощным символом в общественном воображении.Например, он изображен на логотипе Комиссии США по атомной энергии и обозначает смену сцен в популярном ситкоме «Теория большого взрыва». Менее известен публике человек, разработавший его: Нильс Бор.

Родившийся в Копенгагене в 1885 году, Бор был сыном Кристиана Бора, профессора физиологии Копенгагенского университета, и Эллен Адлер Бор, происходившей из известной банковской и политической семьи Дании. Молодого Нильса поощряли интересоваться наукой с юных лет, и он разделял энтузиазм по поводу футбола со своим старшим братом Харальдом.(Харальд был членом датской олимпийской сборной 1908 года, которая выиграла серебряную медаль на соревнованиях того года и впоследствии стала известным математиком.)

Бор сначала решил изучать философию и математику в Копенгагенском университете, но в 1905 году он услышал о конкурсе по физике, проводимом Датской королевской академией наук, и принял вызов. Используя лабораторию своего отца, он экспериментировал со свойствами поверхностного натяжения, написав эссе о своих открытиях, которое получило главный приз.Воодушевленный этим ранним успехом, он переключил свое внимание на физику, получив докторскую степень в 1911 году, написав диссертацию о теоретическом объяснении свойств металлов.

Во время учебы в докторантуре Кембриджского университета Бор работал с легендарным Дж.Дж. Томсон, который много лет назад открыл электрон, и предложил модель атома «сливовый пудинг», в которой атом состоит из электронов (которые Томсон назвал «корпускулами»), окруженных положительно заряженным супом, чтобы уравновесить электроны. отрицательные заряды, как отрицательно заряженные «сливы», окруженные положительно заряженными «пудингами».

С тех пор эта модель была заменена работой Эрнеста Резерфорда, открывшего существование атомного ядра в 1911 году, фактически опровергнув более раннюю модель Томсона. Вместо него Резерфорд предложил атом с небольшим плотным положительно заряженным ядром, вокруг которого, подобно планетам вокруг Солнца, вращается отрицательно заряженное облако электронов.

Бор познакомился с Резерфордом в следующем году и в итоге провел четыре года в лаборатории Резерфорда в Манчестерском университете, работая над новой моделью строения атома.Модель Резерфорда была хорошим началом, но классическая физика подсказывала, что, если она верна, электроны будут двигаться по спирали внутрь и коллапсировать в ядро, делая все атомы по своей природе нестабильными.

Итак, Бор адаптировал эту концепцию, чтобы сделать ее более соответствующей зарождающейся квантовой теории, родившейся в результате революционной работы Макса Планка на рубеже веков, а именно, представлению о том, что энергия может увеличиваться только в дискретных единицах, называемых квантами. 6 марта 1913 года Бор отправил своему наставнику Резерфорду статью, в которой описал, как его новая модель атомной структуры объясняет спектр водорода.

В модели Бора электроны двигались вокруг атомного ядра по круговым орбитам, но эти орбиты имели заданную дискретную энергию, и электроны могли получать или терять энергию, только переходя с одной орбиты на другую, поглощая или испуская излучение по мере необходимости. Хотя ее все еще преподают на вводных уроках физики, модель Бора не совсем верна. Наиболее важно то, что модель Бора нарушает принцип неопределенности, поскольку в ней представлены электроны с известным периодом обращения и определенным радиусом — два атрибута, которые нельзя определить напрямую одновременно.Это также делает плохие предсказания спектров для более крупных атомов. Атом Бора в настоящее время признан предшественником описания атомов, данного квантовой механикой, которая была разработана более чем через десять лет после работы Бора.

Тем не менее, эта новаторская работа принесла Бору Нобелевскую премию по физике 1922 года «за заслуги в исследовании структуры атомов и испускаемого ими излучения». В то время ему было 37 лет, и до него он внес значительный вклад в физику.Например, он разработал жидкокапельную модель атомного ядра и определил изотоп урана, необходимый для деления на медленных нейтронах.

Его имя также тесно связано с копенгагенской интерпретацией квантовой механики, по поводу которой у него было много добродушных споров с Альбертом Эйнштейном. И он разработал принцип дополнительности, чтобы объяснить, как два, казалось бы, исключительных свойства — например, свет, ведущий себя как частица и волна, в зависимости от того, какое измерение было проведено, — тем не менее могут быть согласованы теоретически.

«Противоположностью правильного утверждения является ложное утверждение, — заметил он однажды, — но противоположностью глубокой истины вполне может быть другая глубокая истина». Когда датское правительство наградило Бора Орденом Слона, он разработал свой собственный герб. Дизайн включал символ инь/ян и девиз «Противоположности дополняют друг друга».

Последующая жизнь Бора была отмечена многими личными и профессиональными триумфами, но иногда и трагедиями. Известно, что он поссорился со своим блестящим молодым немецким протеже Вернером Гейзенбергом после того, как последний сообщил, что нацистская Германия работает над атомной бомбой.Когда гитлеровская армия вторглась в Данию, Бор бежал с семьей в Швецию на рыбацкой лодке. Он и его сын Оге оказались в США, работая над Манхэттенским проектом, несмотря на то, что Бор всю жизнь сомневался в ядерном оружии. Он вернулся в Копенгагенский университет после Второй мировой войны и оставался там до конца своей жизни.

Подробнее История физики

Этот месяц в истории физики
Новости APS Архивы

Инициатива по историческим местам
Места и подробности исторических физических событий

Radiation Studies — CDC: The Ionized Atom

Атом — мельчайшая частица элемента, которая может вступать в химическую реакцию.

Электрон   — Элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и массой 1/1837 массы протона. Электроны окружают ядро ​​атома из-за притяжения между их отрицательным зарядом и положительным зарядом ядра. В стабильном атоме будет столько электронов, сколько протонов. Количество электронов, вращающихся вокруг атома, определяет его химические свойства. См. также нейтрон

Ионизирующее излучение — Любое излучение, способное вытеснять электроны из атомов с образованием ионов.Высокие дозы ионизирующего излучения могут вызвать серьезное повреждение кожи или тканей. См. также альфа-частица, бета-частица, гамма-излучение, нейтрон, рентгеновское излучение.

Изотоп — Нуклид элемента, имеющий одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов.

Нейтрон  — Небольшая атомная частица, не обладающая электрическим зарядом, обычно присутствующая в ядре атома. Нейтроны, как следует из названия, нейтральны по своему заряду. То есть у них нет ни положительного, ни отрицательного заряда. Нейтрон имеет примерно ту же массу, что и протон. См. также альфа-частица, бета-частица, гамма-луч, нуклон, рентгеновское излучение.

Ядро — центральная часть атома, содержащая протоны и нейтроны. Ядро — самая тяжелая часть атома.

Протон  — небольшая атомная частица, обычно находящаяся внутри ядра атома, обладающая положительным электрическим зарядом. Несмотря на то, что протоны и нейтроны примерно в 2000 раз тяжелее электронов, они крошечные.Количество протонов уникально для каждого химического элемента. См. также  нуклон.

Излучение — Энергия, движущаяся в форме частиц или волн. Знакомые излучения — это тепло, свет, радиоволны и микроволны. Ионизирующее излучение — это очень высокоэнергетическая форма электромагнитного излучения.

Радиоактивный распад — Распад ядра нестабильного атома под действием излучения.

Радиоактивность — Процесс самопроизвольного преобразования ядра, обычно с испусканием альфа- или бета-частиц, часто сопровождаемый гамма-лучами.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.