Вращательные полосы

Спектры испускания возникают при переходе электронов с уровня, у которого большая энергия в состояние с меньшей энергией. При этом электрон испускает квант света, энергия которого соответствует разности энергий разрешенных уровней, между которыми происходит переход.

Ый вид – гетерополярная или ионная связь. В этом случае электроны распределяются так, что около одного из ядер образуется избыток электронов (отрицательный ион), а около другого недостаток (положительный ион).

2-ой вид – гомеополярная или ковалентная связь. Она образуется парами внешних (валентных) электронов двух атомов (по одному от каждого атома), которые вращаются одновременно около обоих ядер.

В 1927 году немецкие физики Гайтлер и Лондон впервые рассчитали основное состояние молекулы водорода . Оказалось, что образование молекулы возможно лишь при сближении атомов с антипараллельными спинами и что собственные значения энергии молекулы зависят от расстояния между ядрами атомов.

В основном изменение энергетического запаса молекулы происходит в результате изменения электронной конфигурации в периферической части молекулы.

При заданной электронной конфигурации молекулы ядра могут различным образом колебаться и вращаться около общего центра масс. С этими видами движения связаны запасы колебательной и вращательной энергий.

В первом приближении все виды движений в молекуле можно считать независимыми, т.е.:

,

где электронная энергия, связанная с конфигурацией электронных оболочек,

- колебательная (вибрационная) энергия,

вращательная или ротационная энергия.

Поскольку атомы в молекуле в первом приближении можно рассматривать как гармонические осцилляторы, колебательную энергию можно определить следующим соотношением:

,

где колебательное квантовое число; (при рассмотрении квантового осциллятора соответствующее квантовое число мы обозначали n), принимающее значения ;

- частота колебаний.

В данном случае остается справедливым правило отбора для квантового осциллятора

.

То есть, для молекулы возможен переход только между соседними колебательными энергетическими уровнями.

Запас вращательной энергии можно определить:

,

где I – момент инерции молекулы, - частота вращения молекулы.

В - момент импульса молекулы, который может принимать только дискретные значения, определяемые квантовым числом J = 0,1,2,…, которое подчиняется следующему правилу отбора .

.

Вращательная энергия связана с квантовым вращательным числом J соотношением:

.

На основании выше изложенного, полную энергию молекулы можно записать:

.

Эксперименты и расчеты показывают, что расстояние между вращательными уровнямизначительно меньше, чем расстояния между колебательными уровнями , которое в свою очередь значительно меньше расстояния между электронными уровнями . Следовательно, в первую очередь при внешнем воздействии меняется энергия вращательного движения, затем колебательного. Для того чтобы изменить электронную конфигурацию молекулы воздействие должно быть очень сильным.

ЛЕКЦИЯ 8

МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ

(продолжение)

5. Спектры атомов и молекул.

6. Рентгеновские спектры.

7. Вынужденное излучение. Лазеры.

Спектры излучения и поглощения изолированных атомов представляет собой набор из отдельных спектральных линий, поэтому они называется линейчатым.

Спектральные линии возникают при переходе атома с одного разрешенного энергетического состояния в другое. Спектры поглощения возникают при переходе электронов с энергетического состояния меньшим номером (n) в состояние с большим номером (m), при этом электрон поглощает квант, энергия которого равна разности энергий состояний между которыми происходит переход.

. .

Они представляют собой набор темных линий на цветном фоне.

.

Поскольку для каждого химического элемента набор разрешенных переходов строго индивидуален, то по положению спектральных линий можно судить о том, какой элемент дал тот или иной спектр.

Молекулярные спектры при наблюдении в прибор средней разрешенной способности представляются в виде полос. При применении приборов с высокой разрешающей способностью видно, что полосы состоят из большого числа близко расположенных друг к другу линий.

В зависимости от того, изменение каких видов энергии обуславливает испускание молекулой фотона, различают три вида полос:

- вращательные;

- колебательно-вращательные;

- электронно-колебательные.

Поскольку , то при слабых возмущениях меняется только ; при сильных . При очень сильных может меняться электронная конфигурация, а, следовательно, и .

Ограничимся рассмотрением первых двух типов спектральных полос для двух атомной молекулы.

Как мы уже знаем, полная энергия молекулы состоит из электронной, колебательной и вращательной энергий:

В основном состоянии молекулы все виды энергий имеют минимальные значения. При сообщении молекуле достаточного количества энергии она переходит в возбужденное состояние и затем, совершая разрешенный правилами отбора переход в одно из низших энергетических состояний, излучает фотон с энергией .

,

где ;

;

.

Надо помнить, что при неизменной электронной конфигурации момент инерции молекулы не меняется, т.е. если , то . Наименьшей энергией обладают фотоны, соответствующие переходам из одного вращательного уровня на другой. Электронная конфигурация и энергия колебаний при этом не меняется.

.

Квантовое число J в этом случае, согласно правилу отбора, может меняться только на единицу. Поэтому частоты линий, испускаемых при вращательных переходах, могут принимать значения:

,

Где - квантовое число уровня, на который совершается переход, которое может принимать значения 0,1,2,….

Вращательный спектр состоит из ряда равноотстоящих линий, расположенных в далекой инфракрасной области.

Дата добавления: 2014-01-07