Почему вещество способно поглощать электромагнитное излучение

Спектральные методы.

Введение

В основе использования всех спектральных методов лежит воздействие элетромагнитного излучения на вещество и регистрация отклика вещества на такое воздействие. В самом понятии “спектр” заложена зависимость интенсивности отклика от независимого параметра, характеризующего воздействие. В спектральных исследованиях химических веществ в качестве такого независимого параметра выступает частотная характеристика (частота, длина волны, волновое число, энергия) электромагнитного излучения. Откликом, как правило, является способность вещества поглощать это электромагнитное излучения. В ряде случаев (флуоресцентная спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния и некоторых других) регистрируется не первичный ответ – поглощение, а вторичный – излучение.

[[1], [2], Правило Вудварда – в [3], [4][5][6][7][8][9][10][11][12]]

Очевидно, что молекула любого вещества в реальных условиях представляет собой не абсолютно жесткую статичную конструкцию. Не говоря уже о тепловом движении молекул и их ассоциатов, упомянем, хотя бы, вращение групп атомов вокруг одинарных связей, обратимое изменение длин связей и валентных углов, мгновенные переходы электронов и смещения электронной плотности, не сопровождающиеся изменением взаимного пространственного положения ядер, и т.д. Очевидно, что все “составные части” молекулы непрерывно колеблются относительно друг друга. Изменение свойств одной единственной молекулы в результате таких колебаний могут быть довольно значительными, но в силу того, что эти изменения случайны и обратимы, в целом вещество (точнее, образец вещества) сохраняет свои свойства во времени. Если сообщить веществу некоторое количество энергии, то те или иные свойства, или ряд свойств изменятся. Если эти изменения будут меньше определенной величины, то молекула вернется в исходное состояние, выделив в окружающую среду избыток энергии в том или ином виде. Если изменения будут значительны, может произойти разрыв одних или образование других связей, т.е. будет наблюдаться химическая реакция.

Спектральные методы, в большинстве своем, изучают такие изменения, происходящие с молекулой под действием поглощенной энергии, которые не приводят к химическим реакциям.

Любые колебания любых объектов характеризуются временем перехода объекта из одного крайнего состояния в другое и амплитудой (расстоянием между крайними точками). Чем меньше время, необходимое для такого перехода, тем больше таких переходов может реализоваться в единицу времени, тем больше ЧАСТОТА таких колебаний. Частота колебаний непосредственно и линейно связана с энергией этих колебаний, тем большей, чем больше частота.

E_O = А × n

Изменение частотной характеристики колебаний приводит к изменению энергии колебаний, и, в конечном счете, к изменению внутренней энергии объекта.

DE_O = A × Dn

Если мы говорим о колебаниях “составных частей” молекул, то изменение их характеристик должно приводить к изменению внутренней энергии молекул.

Для увеличения внутренней энергии молекул необходимо сообщить им определенное количество энергии. Если источником энергии является электромагнитное излучение, характеризующееся определенной частотой, то это излучение характеризуется определенной энергией

E_B = h × n_B

Если энергия электромагнитного излучения совпадает с энергией (или близко к ней), необходимой для перехода молекулы из одного состояния в другое

DE_O = E_B,

то такой переход реализуется. Если нет, то излучение не поглощается.

“Составные части” молекул не могут занимать в пространстве произвольное положение – существует только определенный набор “разрешенных мест расположения”. Поэтому и возможные величины DE_O могут приобретать только ограниченный набор значений, а следовательно, существует только определенный набор значений E_B и, следовательно, набор значений n_B, который может быть поглощен молекулой. Для изменения состояния (“положения” – это слишком вульгаризированное понятие) электронов требуется один диапазон значений n_B, для изменения длин связей – другой, для изменения валентных углов – третий, и т.д. Поэтому одно и то же вещество способно поглощать электромагнитное излучение в широком диапазоне частот. Даже небольшие изменения структуры вещества (даже замена ОДНОГО атома протия атомом дейтерия) приводят к ненулевым изменениям всего набора величин DE_O молекулы. Таким образом, не существует двух разных веществ, характеризующихся идентичными спектрами. Можно утверждать что каждому веществу соответствует только один набор спектров (в разных областях), а каждому набору спектров – только одно вещество. Это и позволяет использовать спектральные методы для изучения свойств и структуры химических веществ, протекания химических реакций и обратимого взаимодействия молекул (рецептор – лиганд, образование комплексных соединений, диссоциация кислот и оснований, сольватация молекул и ионов и т.д.).

Дата добавления: 2014-01-13