Яна — Теллера эффекты
ЯНА — ТЕЛЛЕРА ЭФФЕКТЫ
совокупность квантовых эффектов, проявляющихся у многоатомных молекул при понижении симметрии ядерной конфигурации под влиянием электронно-колебательного взаимодействия. Если у молекулы существуют геом. конфигурации высокой симметрии, напр. конфигурации с осью симметрии третьего или более высокого порядка, то электронные состояния такой молекулы м. б. вырождены. Коррелированные движение электронов и колебания ядер могут привести к искажению конфигурации и понижению симметрии, при этом вырождение снимается и поверхность потенциальной энергии расщепляется на две (или более, в зависимости от кратности вырождения и типа искажения). В общем случае одна из потенц. поверхностей опускается ниже энергии высокосимметричной конфигурации, другая — поднимается выше. Это означает, что минимум на потенц. поверхности отвечает не наиболее высокой по симметрии конфигурации Q0, а менее симметричной Q1. Таких минимумов м. б. столько, сколько получено потенц. поверхностей из конфигурации Q1 в результате операций симметрии, составляющих группу максимально высокого порядка, допустимого для данной молекулы (за исключением операций, отвечающих повороту системы как целого).
Обычно Я.-Т. э. рассматривают в т. наз. грубом приближении Борна — Оппенгеймера (см. адиабатическое приближение). В качестве причины расщепления потенц. поверхностей принимается изменение электронно-ядерного взаимод. при переходе от конфигурации Q0 к конфигурации Q1. В рамках более точного адиабатич. приближения снятие вырождения при переходе к низкосимметричной конфигурации является естественным и не связано с электронно-колебат. взаимод.
Г. А. Ян и Э. Теллер (1937) показали, что у многоатомной молекулы всегда найдется такое неполносимметричное колебание ядер, при котором электронная энергия вырожденного электронного состояния понижается, в результате чего минимум на потенц. поверхности смещается к конфигурации ядер с более низкой симметрией. В этом заключается собственно Я.-Т. э. 1-го порядка: высокосимметричная конфигурация мол. системы при наличии электронного вырождения является неустойчивой и самопроизвольно деформируется. Волновые функции и отвечающие им энергетич. состояния м. б. рассчитаны в рамках 1-го порядка возмущений теории. Так, для октаэдрич. комплексов переходных металлов искажение, ведущее к понижению симметрии двукратно вырожденного электронного состояния типа Е, м. б. связано с его взаимод. с двукратно вырожденным колебат. уровнем е того же типа симметрии (см. симметрия молекул). Для таких комплексов Я.-Т. э. проявляется в том, что у мол. системы существуют 3 эквивалентных минимума, отвечающих октаэдру, вытянутому (или сжатому) по одной из его 3 осей 4-го порядка. Если эти минимумы разделены невысокими барьерами, происходит туннельное расщепление энергетич. уровня. Между расщепленными уровнями возможны переходы, что проявляется в тонкой структуре оптич. спектров, изменении правил отбора, появлении новых линий в ИК спектре.
Если потенц. барьеры между минимумами достаточно высоки, то система, попав в один из них, будет находиться в нем продолжит. время; это т. наз. статич. Я.-Т. э., в отличие от описанного выше "динамич." эффекта. Обычно основное состояние молекулы невырождено, или, если вырождение есть, электронно-колебат. взаимод. не слишком велико и барьер между минимумами оказывается достаточно низким, т. е. имеет место динамич. Я.-Т. э. Статич. Я.-Т. э. наблюдают, как правило, только при воздействии на мол. систему внеш. полей. В частности, при кооперативном увеличении высоты барьеров в кристаллах минимумам потенц. поверхности отвечают такие конфигурации всей кристаллич. структуры, при которых вырождение для каждой отдельной молекулы или иона в кристалле снимается. Такое энергетически выгодное расположение локально искаженных фрагментов кристалла (в общем случае возникающее не только за счет Я.-Т. э.) м. б. разрушено тепловыми флуктуациями при повышении температуры, что приводит, напр., к структурным фазовым переходам (т. наз. ян-теллеровские кристаллы). Для свободных молекул и мол. комплексов, т. е. в отсутствие внеш. воздействия, характерен именно динамич. эффект.
Электронно-колебат. взаимод. может быть достаточно сильным для того, чтобы даже в невырожденном основном электронном состоянии минимум на потенц. поверхности сместился от наиб. симметричной конфигурации Q0 к менее симметричной Q1. Такой эффект наз. псевдоэффектом Яна-Теллера или Я.-Т. э. 2-го порядка, поскольку для расчета волновых функций и электронных энергий используется 2-й порядок теории возмущений. При достаточно слабом псевдоэффекте Яна-Теллера минимум, отвечающий конфигурации Q0, сохраняется, но потенц. поверхность вблизи минимума становится более пологой. При сильном же псевдоэффекте минимум перемещается от конфигурации Q0к конфигурации Q1, причем Q0 становится локальным максимумом (говорят о структурной неустойчивости конфигурации Q0).
Для линейных многоатомных молекул с вырожденным электронным состоянием при деформационных колебаниях также возможно смещение минимума от линейной конфигурации (высокосимметричной) к менее симметричной изогнутой конфигурации; это т. наз. эффект Реннера-Теллера. Эффект м. б. слабым, тогда он проявляется лишь в том, что уменьшается силовая постоянная деформационного колебания линейной молекулы; сильный эффект приводит к нелинейной равновесной конфигурации молекул.
Экспериментально структурные и спектральные проявления Я.-Т. э. наблюдаются для некоторых мол. кристаллов и кристаллов комплексов переходных металлов. С ним связывают, напр., подвижность координац. сферы Cu(II) в керамиках, формирование винтовой структуры в кристаллах типа CsCuCl3, структурные фазовые переходы в кристаллах, в т. ч. возникновение спонтанной поляризации в сегнетоэлектриках, особенности оптич. спектров, активацию молекул при их взаимод. с активными центрами катализаторов и др. С Я.-Т. э. связывают и ряд особенностей поведения молекул в биол. системах, в частности стереоспецифич. оксигенирование гемоглобина.
Лит.: Нокс Р., Голд А., Симметрия в твердом теле, пер. с англ., М., 1970; Берсукер И. Б., Эффект Яна-Теллера и вибронные взаимодействия в химии, М., 1987.
Н. Ф. Степанов
