利用RXES研究U、Th化合物的5f电子性质

Due to their peculiar 5f electron, actinide elements have attacted people’s extensive attention in the research field of nuclear materials, condensed physics and coordination chemistry. A large number of studies have shown that the 5f electron configurations and their occupancy, which are critical to the actinide compound, are of great importance to the understanding of the physical and chemical properties of actinde materials and the prediction of the structure stability. However, quantitatively acquiring these parameters are difficult due to the limitation of current experimental techniques. In this project we will study the electronic properties of several typical uranium and thorium compounds by using recently developed hard x-ray resonant emission spectroscopy method (RXES) as well as configuration interaction calculations base on multiplet effect. Our aim is to obtain the ratio of each 5f electronic configuration and the 5f occupancy, and to establish the correlation between the 5f property and the structural parameters, such as the ligand type, the bond length and the phase. Furthermore, we will try to explain the machanism of phase transformation of actinde compound under pressure by utilizing the 5f occupancy and ligand field parameters obtained above.

由于其独特的5f电子性质，锕系元素在核能材料、凝聚态物理、配位化学等研究领域受到了人们的广泛关注。大量的研究表明，5f电子的电子组态成分及其占据数是影响锕系化合物性质的关键参数，对人们理解锕系材料的物理化学性质、预测结构稳定性具有重要意义。然而受限于目前的实验手段，如何定量获取5f电子的占据数，并区分不同电子组态的成分，仍然是一个难点问题。在本项目中，我们将利用近期发展的同步辐射硬X射线共振发射谱学方法（RXES），并结合基于多重谱线的组态相互作用计算，对几种典型的U、Th化合物的5f电子性质进行研究，定量获取不同5f电子组态的比例构成和5f电子的占据数，建立5f电子与配体种类、键长、物相等结构参数的关联。此外，进一步利用得到的5f电子占据和配位场参数等信息，解释高压下锕系化合物的结构相变机制。

锕系材料由于其独特的物理化学特性，在核能材料、电化学催化、配位化学等领域受到了广泛关注。高能量分辨谱学是研究锕系材料电子结构性质的有效手段。本项目发展基于同步辐射的高能量分辨谱学方法，主要取得如下成果：1）通过对高分辨谱仪装置进行优化设计，进一步提高谱仪的能量分辨率，达到国际同类线站的先进水平，为锕系材料的高分辨谱学电子结构表征提供了一个良好的实验平台；2）利用高分辨谱学方法开展了锕系材料的电子结构研究，发现了锕系元素的分子轨道在晶体场下的劈裂，揭示了X射线对锕系元素发射谱的共振调节作用，推动了高分辨谱学方法在锕系化学、电催化等研究领域的应用；3）发展了适用于高分辨谱学的原位电化学实验装置和实验方法，并结合DFT计算方法开展精准原位结构表征。这些成果为锕系材料的电子结构研究提供了一个良好的实验平台。