Zámky

Obecná charakteristika molekulových spekter. Obecná charakteristika molekulových spekter Optická spektra molekul

Studium molekulových spekter umožňuje určit síly působící mezi atomy v molekule, disociační energii molekuly, její geometrii, mezijaderné vzdálenosti atd. , tj. poskytují rozsáhlé informace o struktuře a vlastnostech molekuly.

Molekulární spektrum v širokém slova smyslu označuje rozložení pravděpodobnosti přechodů mezi jednotlivými dvěma energetickými hladinami molekuly (viz obr. 9) v závislosti na energii přechodu. Protože dále budeme hovořit o optických spektrech, každý takový přechod musí být doprovázen emisí nebo absorpcí fotonu s energií.

E n = hn = E 2 – E 1, 3.1

kde E 2 a E 1 jsou energie hladin, mezi kterými dochází k přechodu.

Pokud záření skládající se z fotonů emitovaných molekulami plynu prochází spektrálním zařízením, pak bude získáno emisní spektrum molekuly složené z jednotlivých jasných (možná barevných) čar. Navíc bude každý řádek odpovídat příslušnému přechodu. Jas a poloha čáry ve spektru zase závisí na pravděpodobnosti přechodu a energii (frekvenci, vlnové délce) fotonu, resp.

Pokud naopak tímto plynem projde záření skládající se z fotonů všech vlnových délek (spojité spektrum) a poté spektrálním zařízením, získá se absorpční spektrum. V tomto případě bude toto spektrum množinou tmavých čar na pozadí jasného spojitého spektra. Kontrast a poloha čáry ve spektru zde také závisí na pravděpodobnosti přechodu a energii fotonu.

Na základě složité struktury energetických hladin molekuly (viz obr. 9) lze všechny přechody mezi nimi rozdělit na samostatné typy, které dávají spektru molekul odlišný charakter.

Spektrum skládající se z čar odpovídajících přechodům mezi rotačními úrovněmi (viz obr. 8) beze změny vibračních a elektronových stavů molekuly se nazývá rotační spektrum molekuly. Od energie rotační pohyb leží v rozsahu 10 -3 -10 -5 eV, pak by frekvence čar v těchto spektrech měla ležet v mikrovlnné oblasti rádiových frekvencí (daleká infračervená oblast).

Spektrum skládající se z čar odpovídajících přechodům mezi rotačními úrovněmi náležejícími různým vibračním stavům molekuly ve stejném elektronickém stavu se nazývá vibračně-rotační nebo jednoduše vibrační spektrum molekuly. Tato spektra s vibračními energiemi 10 -1 -10 -2 eV leží v infračervené frekvenční oblasti.

Konečně, spektrum sestávající z čar odpovídajících přechodům mezi rotačními úrovněmi, které patří k různým elektronickým a vibračním stavům molekuly, se nazývá elektronicko-vibrační-rotační nebo jednoduše elektronické spektrum molekuly. Tato spektra leží ve viditelné a ultrafialové frekvenční oblasti, protože energie elektronického pohybu je několik elektronvoltů.

Protože emise (nebo absorpce) fotonu je elektromagnetický proces, pak to nutná podmínka je přítomnost nebo přesněji změna elektrického dipólového momentu spojená s odpovídajícím kvantovým přechodem v molekule. Z toho vyplývá, že rotační a vibrační spektra lze pozorovat pouze u molekul, které mají elektrický dipólový moment, tzn. skládající se z odlišných atomů.

Přednáška č. 6

Molekulová energie

Atom nazývána nejmenší částice chemický prvek mající své chemické vlastnosti.

Atom se skládá z kladně nabitého jádra a elektronů pohybujících se v jeho poli. Náboj jádra se rovná náboji všech elektronů. Ion daného atomu je elektricky nabitá částice vytvořená, když atomy ztrácejí nebo získávají elektrony.

Molekula je nejmenší částice homogenní látky, která má její základní chemické vlastnosti.

Molekuly se skládají z stejných nebo různých atomů, které jsou navzájem spojeny meziatomovými chemickými vazbami.

Abychom pochopili důvody, proč elektricky neutrální atomy mohou tvořit stabilní molekulu, omezíme se na zvažování nejjednodušších dvouatomových molekul, které se skládají ze dvou stejných nebo různých atomů.

Síly, které drží atom v molekule, jsou způsobeny interakcí vnějších elektronů. Když se atomy spojí do molekuly, elektrony vnitřních obalů zůstanou ve svých předchozích stavech.

Pokud jsou atomy ve velké vzdálenosti od sebe, pak spolu neinteragují. Jak se atomy přibližují, síly jejich vzájemné přitažlivosti rostou. Ve vzdálenostech srovnatelných s velikostmi atomů se objevují vzájemné odpudivé síly, které nedovolí elektronům jednoho atomu proniknout příliš hluboko do elektronových obalů atomu druhého.

Odpudivé síly jsou „krátkého dosahu“ než síly přitažlivé. To znamená, že jak se vzdálenost mezi atomy zvětšuje, odpudivé síly klesají rychleji než síly přitažlivé.

Graf přitažlivé síly, odpudivé síly a výsledné interakční síly mezi atomy jako funkce vzdálenosti vypadá takto:

Interakční energie elektronů v molekule je určena vzájemným uspořádáním atomových jader a je funkcí vzdálenosti, tzn.

Celková energie celé molekuly zahrnuje i kinetickou energii pohybujících se jader.

Proto,

To znamená, že jde o potenciální energii interakce mezi jádry.

Potom představuje sílu interakce mezi atomy v dvouatomové molekule.

V souladu s tím má graf závislosti potenciální energie interakce atomů v molekule na vzdálenosti mezi atomy tvar:

Rovnovážná meziatomová vzdálenost v molekule se nazývá délka připojení. Veličina D se nazývá molekulární disociační energie nebo vazební energie.Číselně se rovná práci, kterou je třeba vykonat, aby se chemické vazby atomů rozbily na molekuly a odstranily se mimo působení meziatomových sil. Disociační energie se rovná energii uvolněné při tvorbě molekuly, ale má opačné znaménko. Disociační energie je negativní a energie uvolněná během tvorby molekuly je pozitivní.

Energie molekuly závisí na povaze pohybu jader. Tento pohyb můžeme rozdělit na translační, rotační a oscilační. Při malých vzdálenostech mezi atomy v molekule a dostatečně velkém objemu nádoby poskytnuté molekulám, dopřednou energii má spojité spektrum a jeho průměrná hodnota je rovna , tzn.

Rotační energie má diskrétní spektrum a může nabývat hodnot

kde I je rotační kvantové číslo;

J je moment setrvačnosti molekuly.

Energie vibračního pohybu má také diskrétní spektrum a může nabývat hodnot

kde je vibrační kvantové číslo;

– vlastní frekvence tohoto typu kmitání.

Když nejnižší vibrační úroveň má nulovou energii

Energie rotačního a translačního pohybu odpovídá kinetické formě energie, energie oscilačního pohybu odpovídá potenciální formě. V důsledku toho mohou být energetické kroky vibračního pohybu dvouatomové molekuly znázorněny na grafu.

Energetické kroky rotačního pohybu dvouatomové molekuly jsou umístěny podobným způsobem, pouze vzdálenost mezi nimi je mnohem menší než u stejných kroků vibračního pohybu.

Hlavní typy meziatomových vazeb

Existují dva typy atomových vazeb: iontové (nebo heteropolární) a kovalentní (nebo homeopolární).

Iontová vazba dochází v případech, kdy jsou elektrony v molekule uspořádány tak, že u jednoho z jader vzniká nadbytek a u druhého nedostatek. Zdá se tedy, že molekula sestává ze dvou iontů opačného znaménka, které jsou k sobě přitahovány. Příklady molekul s iontovými vazbami jsou NaCl, KCl, RbF, CsJ atd. vzniká spojením atomů prvků já- oh a VII-tá skupina Mendělejevova periodického systému. V tomto případě atom, který k sobě přidal jeden nebo více elektronů, získá negativní náboj a stane se negativním iontem a atom, který daruje odpovídající počet elektronů, se změní na kladný iont. Celkový součet kladných a záporných nábojů iontů je nula. Proto jsou iontové molekuly elektricky neutrální. Síly, které zajišťují stabilitu molekuly, jsou elektrické povahy.

Aby došlo k iontové vazbě, je nutné, aby energie odstranění elektronů, tedy dílo stvoření kladný iont, by byl menší než součet energie uvolněné při tvorbě záporných iontů a energie jejich vzájemné přitažlivosti.

Je zcela zřejmé, že tvorba kladného iontu z neutrálního atomu vyžaduje nejméně práce v případě, kdy se vyskytují elektrony umístěné v elektronovém obalu, který se začal hromadit.

Na druhou stranu se největší energie uvolní, když se elektron připojí k atomům halogenu, kterým před vyplněním elektronového obalu chybí jeden elektron. Přenosem elektronů proto vzniká iontová vazba, která vede k vytvoření naplněných elektronových obalů ve výsledných iontech.

Jiný typ připojení - kovalentní vazba.

Když se tvoří molekuly sestávající z identických atomů, tvorba opačně nabitých iontů je nemožná. Proto iontová vazba není možná. V přírodě však existují látky, jejichž molekuly jsou tvořeny z identických atomů H2, O2, N2 atd. Vazba v látkách tohoto typu se nazývá kovalentní nebo homeopolární(homeo – různé [řecky]). Kromě toho jsou kovalentní vazby pozorovány také v molekulách s různými atomy: fluorovodík HF, oxid dusnatý NE, metan CH 4 atd.

Povahu kovalentních vazeb lze vysvětlit pouze na základě kvantové mechaniky. Kvantově mechanické vysvětlení je založeno na vlnové povaze elektronu. Vlnová funkce vnějších elektronů atomu se s rostoucí vzdáleností od středu atomu náhle nezastaví, ale postupně se zmenšuje. Jak se atomy přibližují k sobě, fuzzy elektronová mračna vnějších elektronů se částečně překrývají, což způsobuje jejich deformaci. Přesný výpočet změny stavu elektronů vyžaduje řešení vlnová rovnice Schrödinger pro systém všech částic účastnících se interakce. Složitost a těžkopádnost této cesty nás nutí omezit se zde pouze na kvalitativní zvažování jevů.

V nejjednodušším případě s- stavu elektronu, elektronový mrak je koule o určitém poloměru. Pokud si oba elektrony v kovalentní molekule vymění místa tak, že elektron 1, dříve patřící jádru“ A", přesune se na místo elektronu 2, který patřil jádru" b", a elektron 2 provede reverzní přechod, pak se na stavu kovalentní molekuly nic nezmění.

Pauliho princip umožňuje existenci dvou elektronů ve stejném stavu s opačnými spiny. Sloučení oblastí, kde se mohou nacházet oba elektrony, znamená vznik speciální kvantové mechaniky mezi nimi výměnná interakce. V tomto případě může každý z elektronů v molekule patřit střídavě k jednomu nebo druhému jádru.

Jak ukazují výpočty, výměnná energie molekuly je kladná, pokud jsou spiny interagujících elektronů paralelní, a záporná, pokud nejsou paralelní.

Kovalentní typ vazby je tedy zajištěn párem elektronů s opačnými spiny. Pokud jsme v iontové vazbě mluvili o přenosu elektronů z jednoho atomu na druhý, tak zde se spojení provádí zobecněním elektronů a vytvořením společného prostoru pro jejich pohyb.

Molekulární spektra

Molekulární spektra jsou velmi odlišná od atomových spekter. Zatímco atomová spektra se skládají z jednotlivých čar, molekulární spektra se skládají z pásů, které jsou na jednom konci ostré a na druhém rozmazané. Proto se také nazývají molekulová spektra pruhovaná spektra.

Pásy v molekulárních spektrech jsou pozorovány v infračerveném, viditelném a ultrafialovém frekvenčním rozsahu elektromagnetických vln. V tomto případě jsou pruhy uspořádány v určitém pořadí a tvoří řadu pruhů. Ve spektru je řada sérií.

Kvantová mechanika poskytuje vysvětlení povahy molekulárních spekter. Teoretická interpretace spekter víceatomových molekul je velmi složitá. Omezíme se na uvažování pouze dvouatomových molekul.

Již dříve jsme poznamenali, že energie molekuly závisí na povaze pohybu atomových jader a identifikovali jsme tři typy této energie: translační, rotační a vibrační. Kromě toho je energie molekuly také určena povahou pohybu elektronů. Tento druh energie se nazývá elektronické energie a je součástí celkové energie molekuly.

Celková energie molekuly je tedy:

Změna translační energie nemůže vést ke vzniku spektrální čáry v molekulárním spektru, proto tento typ energie při dalším uvažování o molekulárních spektrech vynecháme. Pak

Podle Bohrova frekvenčního pravidla ( III– Bohrův postulát) je frekvence kvanta emitovaného molekulou při změně jejího energetického stavu rovna

Zkušenosti a teoretické studie to ukázaly

Proto se při slabých buzeních mění jen, při silnějších -, při ještě silnějších -. Pojďme diskutovat podrobněji různé druhy molekulární spektra.

Rotační spektrum molekul

Začněme zkoumat absorpci elektromagnetických vln s malými částmi energie. Dokud se hodnota kvanta energie nebude rovnat vzdálenosti mezi dvěma nejbližšími úrovněmi, molekula nebude absorbovat. Postupným zvyšováním frekvence dosáhneme kvanta schopných zvednout molekulu z jednoho rotačního kroku do druhého. K tomu dochází v oblasti infračervených vln řádově 0,1 -1 mm.

kde a jsou hodnoty rotačního kvantového čísla na -té a -té energetické hladině.

Rotační kvantová čísla a mohou mít hodnoty, tzn. jejich případné změny jsou omezeny pravidlem výběru

Absorpce kvanta molekulou jej přenáší z jedné rotační energetické hladiny na jinou, vyšší, a vede ke vzniku spektrální čáry v rotačním absorpčním spektru. S klesající vlnovou délkou (tedy změnou čísla) se v této oblasti objevuje stále více nových čar absorpčního spektra. Součet všech čar dává představu o rozložení rotačních energetických stavů molekuly.

Dosud jsme uvažovali absorpční spektrum molekuly. Možné je také emisní spektrum molekuly. Vzhled čar v rotačním emisním spektru je spojen s přechodem molekuly z horní rotační energetické hladiny na spodní.

Rotační spektra umožňují s velkou přesností určit meziatomové vzdálenosti v jednoduchých molekulách. Díky znalosti momentu setrvačnosti a hmotnosti atomů je možné určit vzdálenosti mezi atomy. Pro dvouatomovou molekulu

Vibračně-rotační spektrum molekul

Absorpce elektromagnetických vln látkou v infračervené oblasti o vlnové délce mikronů způsobuje přechody mezi vibračními energetickými hladinami a vede ke vzniku vibračního spektra molekuly. Když se však změní vibrační energetické hladiny molekuly, změní se současně i její rotační energetické stavy. Přechody mezi dvěma vibračními energetickými hladinami jsou doprovázeny změnami rotačních energetických stavů. V tomto případě se objeví vibračně-rotační spektrum molekuly.

Pokud molekula současně vibruje a rotuje, pak její energie bude určena dvěma kvantovými čísly a:

Vezmeme-li v úvahu výběrová pravidla pro obě kvantová čísla, získáme následující vzorec pro frekvence vibračně-rotačního spektra (předchozí vzorec /h a předchozí energetickou hladinu, tj. výrazy v závorkách, zahodíme):

V tomto případě znaménko (+) odpovídá přechodům z nižší do vyšší rotační úrovně a znaménko (-) odpovídá opačné poloze. Vibrační část frekvence určuje spektrální oblast, ve které se pásmo nachází; rotační část určuje jemnou strukturu pásu, tzn. rozdělení jednotlivých spektrálních čar.

Podle klasických koncepcí může rotace nebo vibrace dvouatomové molekuly vést k emisi elektromagnetických vln pouze v případě, že molekula má nenulový dipólový moment. Tato podmínka je splněna pouze u molekul tvořených dvěma různými atomy, tzn. pro asymetrické molekuly.

Symetrická molekula tvořená stejnými atomy má nulový dipólový moment. Podle klasické elektrodynamiky tedy vibrace a rotace takové molekuly nemohou způsobit záření. K podobným výsledkům vede i kvantová teorie.

Elektronické vibrační spektrum molekul

Absorpce elektromagnetických vln ve viditelné a ultrafialové oblasti vede k přechodům molekuly mezi různými úrovněmi elektronové energie, tzn. na vzhled elektronového spektra molekuly. Každá elektronová energetická hladina odpovídá určitému prostorovému rozložení elektronů, nebo, jak se říká, určité konfiguraci elektronů s diskrétní energií. Každá konfigurace elektronů odpovídá mnoha úrovním vibrační energie.

Přechod mezi dvěma elektronickými úrovněmi je doprovázen mnoha doprovodnými přechody mezi vibračními úrovněmi. Tak vzniká elektronové vibrační spektrum molekuly složené ze skupin těsných čar.

Na každý vibrační energetický stav je superponován systém rotačních úrovní. Proto bude frekvence fotonu během elektronicko-vibračního přechodu určena změnou všech tří typů energie:

Frekvence – určuje polohu spektra.

Celé elektronické vibrační spektrum je soustavou několika skupin pásem, které se často vzájemně překrývají a tvoří široké pásmo.

Studium a interpretace molekulárních spekter umožňuje pochopit podrobnou strukturu molekul a má široké uplatnění pro chemickou analýzu.

Ramanův rozptyl

Tento jev spočívá v tom, že v rozptylovém spektru, ke kterému dochází při průchodu světla plyny, kapalinami nebo průhlednými krystalickými tělesy, se spolu s rozptylem světla s konstantní frekvencí objevuje řada vyšších či nižších frekvencí, odpovídajících frekvencím vibrační nebo rotační přechody rozptylujících molekul.

Fenomén Ramanova rozptylu má jednoduché kvantově mechanické vysvětlení. Proces rozptylu světla molekulami lze považovat za nepružnou srážku fotonů s molekulami. Při srážce může foton dávat nebo přijímat z molekuly pouze takové množství energie, které se rovná rozdílům mezi jeho dvěma energetickými hladinami. Pokud se molekula při srážce s fotonem přesune ze stavu s nižší energií do stavu s vyšší energií, ztrácí svou energii a její frekvence se snižuje. Vznikne tak čára ve spektru molekuly, posunutá vzhledem k hlavní směrem k delším vlnovým délkám. Pokud po srážce s fotonem molekula přejde ze stavu s vyšší energií do stavu s energií nižší, vznikne ve spektru čára, která je vůči hlavnímu posunuta směrem ke kratším vlnovým délkám.

Studie Ramanova rozptylu poskytují informace o struktuře molekul. Pomocí této metody se snadno a rychle určují přirozené vibrační frekvence molekul. Umožňuje nám také posoudit povahu symetrie molekuly.

Světélkování

Pokud lze molekuly látky uvést do excitovaného stavu bez zvýšení jejich průměrné kinetické energie, tzn. bez zahřívání, pak nastává záře těchto těles neboli luminiscence.

Existují dva typy luminiscence: fluorescence A fosforescence.

Fluorescence tzv. luminiscence, která se zastaví ihned po skončení působení budiče luminiscence.

Při fluorescenci dochází ke spontánnímu přechodu molekul z excitovaného stavu do nižší úrovně. Tento typ záře má velmi krátké trvání (asi 10 -7 sekund).

Fosforescence tzv. luminiscence, která si po působení budiče luminiscence zachovává svou záři ještě dlouhou dobu.

Během fosforescence se molekula pohybuje z excitovaného stavu do metastabilní úrovně. Metastabilní To je úroveň, ze které je přechod na nižší úroveň nepravděpodobný. Emise může nastat, pokud se molekula opět vrátí na excitovanou úroveň.

Přechod z metastabilního stavu do excitovaného je možný pouze za přítomnosti dodatečné excitace. Takovým dalším patogenem může být teplota látky. Při vysokých teplotách k tomuto přechodu dochází rychle, při nízkých teplotách pomalu.

Jak jsme již poznamenali, nazývá se luminiscence pod vlivem světla fotoluminiscence pod vlivem elektronového bombardování – katodoluminiscence pod vlivem elektrického pole – elektroluminiscence pod vlivem chemických přeměn - chemiluminiscence.

Kvantové zesilovače a generátory záření

V polovině 50. let našeho století to začalo rychlý vývoj kvantová elektronika. V roce 1954 se v SSSR objevily práce akademiků N. G. Basova a A. M. Prochorov, v níž volal kvantový generátor ultrakrátkých rádiových vln v rozsahu centimetrů maser(zesílení mikrowaru stimulovanou emisí záření). Řada generátorů a zesilovačů světla ve viditelné a infračervené oblasti, která se objevila v 60. letech, byla tzv. optické kvantové generátory nebo lasery(Zesilovač světla pomocí vynucené emise záření).

Oba typy zařízení fungují na základě účinku stimulovaného nebo stimulovaného záření.

Podívejme se na tento typ záření podrobněji.

Tento typ záření je výsledkem interakce elektromagnetické vlny s atomy látky, kterou vlna prochází.

V atomech dochází spontánně (nebo spontánně) k přechodům z vyšších energetických hladin na nižší. Pod vlivem dopadajícího záření jsou však takové přechody možné v dopředném i zpětném směru. Tyto přechody se nazývají nucený nebo indukovaný. Během nuceného přechodu z jedné z excitovaných hladin na nízkou energetickou hladinu atom emituje foton, který je dodatečný k fotonu, pod jehož vlivem došlo k přechodu.

V tomto případě se směr šíření tohoto fotonu a následně i veškerého stimulovaného záření shoduje se směrem šíření vnějšího záření, které přechod způsobilo, tzn. stimulovaná emise je přísně koherentní s emisemi při jízdě.

Nový foton, který je výsledkem stimulované emise, tedy zesiluje světlo procházející médiem. Současně s indukovanou emisí však dochází k procesu absorpce světla, protože Hnací foton je absorbován atomem umístěným na nízké energetické úrovni a atom se přesune na vyšší energetickou hladinu. A

Proces převedení prostředí do inverzního stavu se nazývá čerpané zlepšující prostředí. Existuje mnoho metod pro čerpání ziskového média. Nejjednodušší z nich je optické čerpání prostředí, při kterém se atomy přenášejí z nižší hladiny na horní excitovanou hladinu ozařováním světla o takové frekvenci, že .

V prostředí s inverzním stavem stimulovaná emise převyšuje absorpci světla atomy, v důsledku čehož bude dopadající paprsek světla zesílen.

Uvažujme zařízení využívající taková média, používané jako generátor vln v optickém rozsahu popř laser.

Jeho hlavní částí je krystal umělého rubínu, což je oxid hlinitý, ve kterém jsou některé atomy hliníku nahrazeny atomy chrómu. Když je rubínový krystal ozářen světlem o vlnové délce 5600, ionty chrómu se pohybují na horní energetickou hladinu.

Zpětný přechod do základního stavu probíhá ve dvou fázích. V první fázi předávají excitované ionty část své energie krystalové mřížce a vstupují do metastabilního stavu. Ionty zůstávají na této úrovni delší dobu než na horní úrovni. V důsledku toho je dosaženo inverzního stavu metastabilní úrovně.

Návrat iontů do základního stavu je doprovázen emisí dvou červených čar: a . K tomuto návratu dochází jako lavina pod vlivem fotonů stejné vlnové délky, tzn. se stimulovanou emisí. K tomuto návratu dochází mnohem rychleji než při spontánní emisi, takže světlo je zesíleno.

Rubín použitý v laseru má tvar tyčinky o průměru 0,5 cm a délce 4-5 cm. Ploché konce této tyčinky jsou leštěné a postříbřené tak, že tvoří dvě zrcadla proti sobě, jedno z nich jsou průsvitné. Celá rubínová tyčinka se nachází v blízkosti pulsu elektronka, který slouží k optickému čerpání média. Fotony, jejichž směry pohybu svírají s osou rubínu malé úhly, zažívají mnohonásobné odrazy od jeho konců.

Proto bude jejich cesta v krystalu velmi dlouhá a kaskády fotonů v tomto směru dostanou největší rozvoj.

Fotony spontánně emitované v jiných směrech opouštějí krystal přes jeho boční povrch, aniž by způsobily další záření.

Když se axiální paprsek stane dostatečně intenzivním, jeho část vystoupí přes průsvitný konec krystalu ven.

Uvnitř vyniká krystal velký počet teplo. Proto je nutné ji intenzivně chladit.

Laserové záření má řadu funkcí. Vyznačuje se:

1. časová a prostorová soudržnost;

2. přísný jednobarevný;

3. vysoký výkon;

4. úzkost paprsku.

Vysoká koherence záření otevírá široké vyhlídky pro použití laserů pro rádiovou komunikaci, zejména pro směrovou rádiovou komunikaci ve vesmíru. Pokud se najde způsob modulace a demodulace světla, bude možné přenášet obrovské množství informací. Jeden laser by tedy z hlediska objemu přenášených informací mohl nahradit celý komunikační systém mezi východním a západním pobřežím Spojených států.

Úhlová šířka laserového paprsku je tak malá, že pomocí teleskopického zaostřování je možné získat na měsíčním povrchu světelný bod o průměru 3 km. Vysoký výkon a úzký paprsek umožňuje při zaostřování pomocí čočky získat hustotu energetického toku 1000krát vyšší, než je hustota energetického toku, kterou lze získat zaostřením slunečního světla. Takové paprsky světla lze použít k obrábění a svařování, k ovlivnění průběhu chemických reakcí atp.

Výše uvedené nevyčerpává všechny možnosti laseru. Jde o zcela nový typ světelného zdroje a je stále těžké si představit všechny možné oblasti jeho použití.

MOLEKULÁRNÍ SPEKTRA, elektromagnetická emisní a absorpční spektra. záření a kombinace rozptyl světla patřícího volným nebo slabě vázaným molekulám. Vypadají jako soubor pásů (čar) v oblasti rentgenového záření, UV záření, viditelného záření, infračerveného záření a rádiových vln (včetně mikrovlnných) oblastí spektra. Poloha pásů (čar) v emisních spektrech (emisní molekulová spektra) a absorpci (absorpční molekulová spektra) je charakterizována frekvencemi v (vlnové délky l = c/v, kde c je rychlost světla) a vlnovými čísly = 1 /l; je určena rozdílem mezi energiemi E" a E: stavy molekuly, mezi kterými dochází ke kvantovému přechodu:

(h-Planckova konstanta). S kombinací Při rozptylu je hodnota hv rovna rozdílu energií dopadajících a rozptýlených fotonů. Intenzita pásů (čar) souvisí s počtem (koncentrací) molekul daného typu, populací energetických hladin E“ a E: a pravděpodobností odpovídajícího přechodu.

Pravděpodobnost přechodů s emisí nebo absorpcí záření je určena především druhou mocninou prvku elektrické matice. přechodový dipólový moment, a s přesnějším uvážením - čtverci maticových prvků magnetických. a elektrické kvadrupólové momenty molekuly (viz Kvantové přechody). S kombinací Při rozptylu světla je pravděpodobnost přechodu vztažena k maticovému prvku indukovaného přechodového dipólového momentu molekuly, tzn. s prvkem matrice polarizovatelnosti molekuly.

Podmínky říkají. systémy, mezi nimiž se přechody objevují ve formě určitých molekulových spekter, mají různou povahu a velmi se liší energií. Energetické hladiny určitých typů jsou umístěny daleko od sebe, takže při přechodech molekula absorbuje nebo vyzařuje vysokofrekvenční záření. Vzdálenost mezi úrovněmi jiné povahy je malá a v některých případech bez vnějších. úrovně polí splývají (degenerují). Při malých energetických rozdílech jsou pozorovány přechody v nízkofrekvenční oblasti. Například jádra atomů určitých prvků mají své vlastní. mag. kroutící moment a elektrické kvadrupólový moment spojený se spinem. Elektrony mají také magnet moment spojený s jejich roztočením. Při absenci vnějších magnetická orientační pole momenty jsou libovolné, tzn. nejsou kvantované a odpovídající energie. stavy jsou degenerované. Při externí aplikaci stálý magnet pole, degenerace je zrušena a přechody mezi energetickými hladinami jsou možné, pozorované v radiofrekvenční oblasti spektra. Tak vznikají NMR a EPR spektra (viz Nukleární magnetická rezonance, Elektronová paramagnetická rezonance).

Kinetická distribuce energie elektronů emitovaných mol. systémů v důsledku ozáření rentgenovým nebo tvrdým UV zářením, dává rtgspektroskopie a fotoelektronová spektroskopie. Další procesy v molu systému, způsobené počáteční excitací, vedou ke vzniku dalších spekter. Augerova spektra tedy vznikají jako výsledek relaxace. záchyt elektronů z vnějšku skořápky z k.-l. atom na prázdné vnitřní skořápka a uvolněná energie se transformuje. v kinetice energie jiného elektronu ext. obal emitovaný atomem. V tomto případě dochází ke kvantovému přechodu z určitého stavu neutrální molekuly do stavu mol. iont (viz Augerova spektroskopie).

Tradičně jsou pouze spektra spojená s optickými spektry klasifikována jako vlastní molekulární spektra. přechody mezi elektronicko-vibrační-rotační, energetické hladiny molekuly spojené se třemi zákl. druhy energie hladin molekuly - elektronové E el, vibrační E počet a rotační E bp, odpovídající třem typům vnitřních. pohyb v molekule. Energie rovnovážné konfigurace molekuly v daném elektronovém stavu se bere jako úhoř. Množina možných elektronových stavů molekuly je určena vlastnostmi jejího elektronového obalu a symetrií. Kmitání pohyby jader v molekule vzhledem k jejich rovnovážné poloze v každém elektronickém stavu jsou kvantovány tak, že pro několik vibrací. se tvoří stupně volnosti komplexní systém oscilovat energetické hladiny E počet. Rotace molekuly jako celku jako tuhého systému spojených jader je charakterizována rotací. moment množství pohybu, který je kvantován, tvořící rotaci. stavy (hladiny rotační energie) E čas. Typicky je energie elektronických přechodů v řádu několika. eV, vibrační - 10 -2 ... 10 -1 eV, rotační - 10 -5 ... 10 -3 eV.

V závislosti na tom, na kterých energetických úrovních dochází k přechodům s emisí, absorpcí nebo kombinací. elektromagnetický rozptyl záření - elektronické, oscilace. nebo rotační, existují elektronické, oscilace. a rotační molekulová spektra. Články Elektronická spektra, Vibrační spektra, Rotační spektra poskytují informace o odpovídajících stavech molekul, výběrová pravidla pro kvantové přechody, mol. spektroskopie, a také jaké vlastnosti molekul lze použít. získané z molekulových spekter: vlastnosti a symetrie elektronových stavů, vibrace. konstanty, disociační energie, symetrie molekuly, rotace. konstanty, momenty setrvačnosti, geom. parametry, el dipólové momenty, konstrukční údaje a vnitřní silová pole atd. Elektronická absorpční a luminiscenční spektra ve viditelné a UV oblasti poskytují informace o rozložení

Spektrum je sled energetických kvant elektromagnetického záření absorbovaného, uvolněného, rozptýleného nebo odraženého látkou při přechodech atomů a molekul z jednoho energetického stavu do druhého.

Podle povahy interakce světla s hmotou lze spektra rozdělit na spektra absorpční; emise (emise); rozptyl a odraz.

U zkoumaných objektů byla použita optická spektroskopie, tzn. spektroskopie v rozsahu vlnových délek 10 -3 ÷10 -8 m dělíme na atomové a molekulární.

Atomové spektrum je posloupnost čar, jejichž poloha je určena energií přechodu elektronů z jedné úrovně do druhé.

Atomová energie lze znázornit jako součet kinetické energie translačního pohybu a elektronické energie:

kde je frekvence, je vlnová délka, je vlnové číslo, je rychlost světla, je Planckova konstanta.

Protože energie elektronu v atomu je nepřímo úměrná druhé mocnině hlavního kvantového čísla, rovnici pro přímku v atomovém spektru lze napsat:

(4.12)

Tady - energie elektronů na vyšších a nižších úrovních; - Rydbergova konstanta; - spektrální členy vyjádřené v jednotkách vlnových čísel (m -1, cm -1).

Všechny čáry atomového spektra se v krátkovlnné oblasti sbíhají do limitu určeného ionizační energií atomu, po které následuje spojité spektrum.

Molekulová energie k první aproximaci ji lze považovat za součet translačních, rotačních, vibračních a elektronických energií:

(4.15)

U většiny molekul je tato podmínka splněna. Například pro H 2 při 291 K se jednotlivé složky celkové energie liší řádově i více:

309,5 kJ/mol,

=25,9 kJ/mol,

2,5 kJ/mol,

=3,8 kJ/mol.

Energetické hodnoty kvant v různých oblastech spektra jsou porovnány v tabulce 4.2.

Tabulka 4.2 - Energie absorbovaných kvant různé oblasti optické spektrum molekul

Pojmy „vibrace jader“ a „rotace molekul“ jsou relativní. Ve skutečnosti takové typy pohybu pouze velmi přibližně vyjadřují představy o rozložení jader v prostoru, které má stejnou pravděpodobnostní povahu jako rozložení elektronů.

Schématický systém energetických hladin v případě dvouatomové molekuly je uveden na obrázku 4.1.

Přechody mezi hladinami rotační energie vedou ke vzniku rotačních spekter ve vzdálené infračervené a mikrovlnné oblasti. Přechody mezi vibračními úrovněmi v rámci stejné elektronické úrovně dávají vibračně-rotační spektra v blízké IR oblasti, protože změna vibračního kvantového čísla nevyhnutelně s sebou nese změnu v rotačním kvantovém čísle. Konečně přechody mezi elektronickými úrovněmi způsobují výskyt elektronicko-vibračně-rotačních spekter ve viditelné a UV oblasti.

V obecném případě může být počet přechodů velmi velký, ale ve skutečnosti se ve spektrech neobjevují všechny. Počet přechodů je omezen pravidla výběru .

Molekulární spektra poskytují velké množství informací. Mohou být použity:

Identifikovat látky v kvalitativní analýze, protože každá látka má své vlastní jedinečné spektrum;

Pro kvantitativní analýzu;

Pro analýzu strukturních skupin, protože určité skupiny, jako je >C=O, _NH2, _OH, atd., poskytují charakteristické pásy ve spektrech;

K určení energetických stavů molekul a molekulární charakteristiky(mezijaderná vzdálenost, moment setrvačnosti, vlastní frekvence vibrací, disociační energie); komplexní studium molekulových spekter umožňuje vyvozovat závěry o prostorové struktuře molekul;

V kinetických studiích, včetně pro studium velmi rychlých reakcí.

- energie elektronických hladin;

Energie vibračních úrovní;

Energie rotačních hladin

Obrázek 4.1 – Schématické uspořádání energetických hladin dvouatomové molekuly

Bouguer-Lambert-Beerův zákon

Základem kvantitativní molekulární analýzy pomocí molekulové spektroskopie je Bouguer-Lambert-Beerův zákon spojující intenzitu dopadajícího a procházejícího světla s koncentrací a tloušťkou absorbující vrstvy (obrázek 4.2):

nebo s faktorem proporcionality:

Výsledek integrace:

(4.19)

(4.20)

Když se intenzita dopadajícího světla sníží o řád

(4.21)

Jestliže =1 mol/l, pak, tzn. Absorpční koeficient se rovná vzájemné tloušťce vrstvy, ve které se při koncentraci rovné 1 řádově zmenší intenzita dopadajícího světla.

Absorpční koeficienty a závisí na vlnové délce. Typ této závislosti je jakýsi „otisk“ molekul, který se používá v kvalitativní analýze k identifikaci látky. Tato závislost je charakteristická a individuální pro konkrétní látku a odráží charakteristické skupiny a vazby obsažené v molekule.

Optická hustota D

vyjádřeno jako %

4.2.3 Rotační energie dvouatomové molekuly v aproximaci rigidního rotátoru. Rotační spektra molekul a jejich aplikace pro stanovení molekulárních charakteristik

Vznik rotačních spekter je způsoben tím, že rotační energie molekuly je kvantována, tzn.

Energie rotace molekuly kolem její osy rotace

Od věci Ó je těžiště molekuly, pak:

Zavedení zápisu snížené hmotnosti:

(4.34)

vede k rovnici

(4.35)

Takže dvouatomová molekula (obrázek 4.7 A), rotující kolem osy nebo procházející těžištěm, lze zjednodušeně považovat za částici s hmotností , popisující kružnici s poloměrem kolem bodu Ó(Obrázek 4.7 b).

Rotace molekuly kolem osy dává moment setrvačnosti, který je prakticky rovný nule, protože poloměry atomů jsou mnohem menší než mezijaderná vzdálenost. Rotace kolem os nebo, vzájemně kolmých k vazbě molekuly, vede k momentům setrvačnosti o stejné velikosti:

kde je rotační kvantové číslo, které nabývá pouze celočíselných hodnot

0, 1, 2…. V souladu s pravidlo výběru pro rotační spektrum dvouatomové molekuly je změna rotačního kvantového čísla při pohlcení energetického kvanta možná pouze o jednu, tzn.

převede rovnici (4.37) do tvaru:

vlnové číslo čáry v rotačním spektru odpovídající absorpci kvanta při přechodu z júroveň energie na úroveň j+1, lze vypočítat pomocí rovnice:

Rotační spektrum v aproximaci modelu tuhého rotátoru je tedy soustavou čar umístěných ve stejné vzdálenosti od sebe (obrázek 4.5b). Příklady rotačních spekter dvouatomových molekul odhadnutých v modelu rigidního rotátoru jsou uvedeny na obrázku 4.6.

A b

Obrázek 4.6 – Rotační spektra HF (A) A CO(b)

U molekul halogenovodíku je toto spektrum posunuto do vzdálené IR oblasti spektra, u těžších molekul - do mikrovln.

Na základě získaných vzorů výskytu rotačního spektra dvouatomové molekuly se v praxi nejprve určí vzdálenost mezi sousedními čarami ve spektru, ze kterých se pak zjistí, a pomocí rovnic:

(4.45)

kde - konstanta odstředivého zkreslení , souvisí s rotační konstantou přibližným vztahem . Korekce by se měla brát v úvahu pouze u velmi velkých j.

U víceatomových molekul jsou obecně možné tři různé momenty setrvačnosti . Pokud jsou v molekule prvky symetrie, mohou se momenty setrvačnosti shodovat nebo být dokonce rovné nule. Například, pro lineární polyatomické molekuly(CO 2, OCS, HCN atd.)

Kde - poloha přímky odpovídající rotačnímu přechodu v izotopově substituované molekule.

Pro výpočet velikosti izotopového posunu přímky je nutné postupně vypočítat redukovanou hmotnost izotopově substituované molekuly s přihlédnutím ke změně atomové hmotnosti izotopu, momentu setrvačnosti, rotační konstantě a poloze čáry ve spektru molekuly podle rovnic (4.34), (4.35), (4.39) a (4.43) nebo odhadněte poměr vlnových čísel čar odpovídajících stejnému přechodu v izotopově substituovaném a ne -izotopově substituované molekuly a poté určete směr a velikost izotopového posunu pomocí rovnice (4.50). Pokud je mezijaderná vzdálenost přibližně považována za konstantní , pak poměr vlnových čísel odpovídá obrácenému poměru redukovaných hmotností:

kde - celkový početčástic, - počet částic na i- úroveň energie při teplotě T, k– Boltzmannova konstanta, – statistický ve platnost stupeň degenerace i- této energetické hladiny charakterizuje pravděpodobnost nalezení částic na dané úrovni.

Pro rotační stav je úroveň populace obvykle charakterizována poměrem počtu částic j- tato energetická hladina k počtu částic na nulové úrovni:

(4.53)

Kde - statistická váha j- této rotační energetické hladiny, odpovídá počtu průmětů hybnosti rotující molekuly na její osu - komunikační linii molekuly, , nulová energie na rotační úrovni . Funkce prochází maximem, když se zvyšuje j 4.7 s použitím molekuly CO jako příkladu.

Extrém funkce odpovídá úrovni s maximální relativní populací, jejíž hodnotu kvantového čísla lze vypočítat pomocí rovnice získané po určení derivace funkce na extrému:

(4.54)

Obrázek 4.7 – Relativní populace úrovní rotační energie

molekul CO při teplotách 298 a 1000 K

Příklad. V rotačním spektru HI je určena vzdálenost mezi sousedními čarami cm-1. Vypočítejte rotační konstantu, moment setrvačnosti a rovnovážnou mezijadernou vzdálenost v molekule.

Řešení

V aproximaci modelu tuhého rotátoru v souladu s rovnicí (4.45) určíme rotační konstantu:

cm-1.

Moment setrvačnosti molekuly se vypočítá z hodnoty rotační konstanty pomocí rovnice (4.46):

kg . m 2.

K určení rovnovážné mezijaderné vzdálenosti použijeme rovnici (4.47), přičemž vezmeme v úvahu, že hmotnosti jader vodíku a jód vyjádřeno v kg:

Příklad. Ve vzdálené IR oblasti spektra 1H35Cl byly detekovány čáry, jejichž vlnová čísla jsou:

Určete průměrné hodnoty momentu setrvačnosti a mezijaderné vzdálenosti molekuly. Pozorované čáry ve spektru přiřaďte rotačním přechodům.

Řešení

Podle modelu tuhého rotátoru je rozdíl vlnových čísel sousedních čar rotačního spektra konstantní a rovný 2. Určíme rotační konstantu z průměrné hodnoty vzdáleností mezi sousedními čarami ve spektru:

cm -1,

cm-1

Najdeme moment setrvačnosti molekuly (rovnice (4.46)):

Vypočítáme rovnovážnou mezijadernou vzdálenost (rovnice (4.47)), přičemž vezmeme v úvahu, že hmotnosti jader vodíku a chlór (vyjádřeno v kg):

Pomocí rovnice (4.43) odhadneme polohu čar v rotačním spektru 1 H 35 Cl:

Porovnejme vypočítané hodnoty vlnových čísel čar s experimentálními. Ukazuje se, že čáry pozorované v rotačním spektru 1H35Cl odpovídají přechodům:

N řádků
, cm-1	85.384	106.730	128.076	149.422	170.768	192.114	213.466
	3 4	4 5	5 6	6 7	7 8	8 9	9 10

Příklad. Určete velikost a směr izotopového posunu absorpční čáry odpovídající přechodu s energetická hladina v rotačním spektru molekuly 1 H 35 Cl, když je atom chloru nahrazen izotopem 37 Cl. Mezijaderná vzdálenost v molekulách 1 H 35 Cl a 1 H 37 Cl je považována za stejnou.

Řešení

Určit velikost izotopového posunu přímky odpovídající přechodu , vypočítáme redukovanou hmotnost molekuly 1 H 37 Cl s přihlédnutím ke změně atomové hmotnosti 37 Cl:

Dále vypočítáme moment setrvačnosti, rotační konstantu a polohu přímky ve spektru molekuly 1 H 37 Cl a hodnotu izotopového posunu podle rovnic (4.35), (4.39), (4.43) a (4.50).

V opačném případě lze izotopový posun odhadnout z poměru vlnočtů čar odpovídajících stejnému přechodu v molekulách (mezijadernou vzdálenost předpokládáme konstantní) a následně polohy čáry ve spektru pomocí rovnice (4.51).

Pro molekuly 1 H 35 Cl a 1 H 37 Cl je poměr vlnových čísel daného přechodu roven:

K určení vlnového čísla čáry izotopově substituované molekuly dosadíme hodnotu přechodového vlnového čísla zjištěnou v předchozím příkladu j → j+1 (3→4):

Došli jsme k závěru: izotopový posun do nízkofrekvenční nebo dlouhovlnné oblasti je

85,384-83,049=2,335 cm-1.

Příklad. Vypočítejte vlnové číslo a vlnovou délku nejintenzivnější spektrální čáry rotačního spektra molekuly 1 H 35 Cl. Spojte čáru s odpovídajícím rotačním přechodem.

Řešení

Nejintenzivnější čára v rotačním spektru molekuly je spojena s maximální relativní populací rotační energetické hladiny.

Dosazení hodnoty rotační konstanty zjištěné v předchozím příkladu za 1 H 35 Cl ( cm -1) do rovnice (4.54) nám umožňuje vypočítat číslo této energetické hladiny:

Vlnové číslo rotačního přechodu z této úrovně se vypočítá pomocí rovnice (4.43):

Najdeme přechodovou vlnovou délku z rovnice (4.11) transformovanou s ohledem na:

4.2.4 Vícerozměrná úloha č. 11 „Rotační spektra dvouatomových molekul“

1. Napište kvantově mechanickou rovnici pro výpočet energie rotačního pohybu dvouatomové molekuly jako tuhého rotátoru.

2. Odvoďte rovnici pro výpočet změny rotační energie dvouatomové molekuly jako tuhého rotátoru při jejím přechodu na sousední, vyšší kvantovou hladinu. .

3. Odvoďte rovnici pro závislost vlnočtu rotačních čar v absorpčním spektru dvouatomové molekuly na rotačním kvantovém čísle.

4. Odvoďte rovnici pro výpočet rozdílu vlnočtů sousedních čar v rotačním absorpčním spektru dvouatomové molekuly.

5. Vypočítejte rotační konstantu (v cm -1 am -1) dvouatomové molekuly A vlnočty dvou sousedních čar v dlouhovlnné infračervené oblasti rotačního absorpčního spektra molekuly (viz tabulka 4.3).

6. Určete rotační energii molekuly A na prvních pěti kvantových rotačních úrovních (J).

7. Nakreslete schematicky energetické hladiny rotačního pohybu dvouatomové molekuly jako tuhého rotátoru.

8. Nakreslete do tohoto diagramu tečkovanou čarou rotační kvantové úrovně molekuly, která není rigidním rotátorem.

9. Odvoďte rovnici pro výpočet rovnovážné mezijaderné vzdálenosti na základě rozdílu vlnočtů sousedních čar v rotačním absorpčním spektru.

10. Určete moment setrvačnosti (kg. m2) dvouatomové molekuly A.

11. Vypočítejte redukovanou hmotnost (kg) molekuly A.

12. Vypočítejte rovnovážnou mezijadernou vzdálenost () molekuly A. Získanou hodnotu porovnejte s referenčními údaji.

13. Připište pozorované čáry v rotačním spektru molekuly A k rotačním přechodům.

14. Vypočítejte vlnové číslo spektrální čáry odpovídající rotačnímu přechodu z hladiny j pro molekulu A(viz tabulka 4.3).

15. Vypočítejte redukovanou hmotnost (kg) izotopově substituované molekuly B.

16. Vypočítejte vlnové číslo spektrální čáry spojené s rotačním přechodem z hladiny j pro molekulu B(viz tabulka 4.3). Mezijaderné vzdálenosti v molekulách A A B považovat za rovné.

17. Určete velikost a směr posunu izotopů v rotačních spektrech molekul A A B pro spektrální čáru odpovídající přechodu rotační úrovně j.

18. Vysvětlete důvod nemonotonické změny intenzity absorpčních čar při zvyšování rotační energie molekuly

19. Určete kvantové číslo rotační úrovně odpovídající nejvyšší relativní populaci. Vypočítejte vlnové délky nejintenzivnějších spektrálních čar rotačních spekter molekul A A B.

Chemické vazby a molekulární struktura.

Molekula - nejmenší částice látky sestávající ze stejných nebo různých atomů spojených navzájem chemické vazby a je nositelem jeho základní chemické a fyzikální vlastnosti. Chemické vazby jsou způsobeny interakcí vnějších, valenčních elektronů atomů. V molekulách se nejčastěji vyskytují dva typy vazeb: iontové a kovalentní.

Iontová vazba (například v molekulách NaCl, KBr) se uskutečňuje elektrostatickou interakcí atomů při přechodu elektronu z jednoho atomu na druhý, tzn. při tvorbě kladných a záporných iontů.

Ke kovalentní vazbě (např. v molekulách H 2, C 2, CO) dochází, když jsou valenční elektrony sdíleny dvěma sousedními atomy (spiny valenčních elektronů musí být antiparalelní). Kovalentní vazba je vysvětlena na základě principu nerozlišitelnosti identických částic, například elektronů v molekule vodíku. Nerozlišitelnost částic vede k výměnná interakce.

Molekula je kvantový systém; je popsána Schrödingerovou rovnicí, která bere v úvahu pohyb elektronů v molekule, vibrace atomů molekuly a rotaci molekuly. Řešení této rovnice je velmi těžký úkol, který se obvykle dělí na dva: pro elektrony a jádra. Energie izolované molekuly:

kde je energie pohybu elektronů vzhledem k jádrům, je energie jaderných vibrací (v důsledku čehož se vzájemná poloha jader periodicky mění) a je energie jaderné rotace (následkem čehož je orientace jader molekula v prostoru se periodicky mění). Vzorec (13.1) nebere v úvahu energii translačního pohybu těžiště molekuly a energii jader atomů v molekule. První z nich není kvantován, takže jeho změny nemohou vést ke vzniku molekulárního spektra, a druhý lze ignorovat, pokud nebereme v úvahu hyperjemnou strukturu spektrálních čar. Bylo prokázáno, že eV, eV, eV, takže >>>>.

Každá z energií obsažených ve výrazu (13.1) je kvantována (odpovídá množině diskrétních energetických hladin) a je určena kvantovými čísly. Při přechodu z jednoho energetického stavu do druhého je energie D absorbována nebo emitována E = vv. Při takových přechodech se současně mění energie pohybu elektronů, energie vibrací a rotace. Z teorie a experimentu vyplývá, že vzdálenost mezi rotačními energetickými hladinami D je mnohem menší než vzdálenost mezi vibračními hladinami D, což je zase menší než vzdálenost mezi elektronickými hladinami D. Obrázek 13.1 schematicky ukazuje energetické hladiny dvouatomové molekula (například jsou uvažovány pouze dvě elektronické úrovně – zobrazeno tučné čáry).

Struktura molekul a vlastnosti jejich energetických hladin se projevují v molekulární spektra– emisní (absorpční) spektra vznikající při kvantových přechodech mezi hladinami molekulární energie. Emisní spektrum molekuly je určeno strukturou jejích energetických hladin a odpovídajícími pravidly výběru.

Takže když odlišné typy dochází k přechodům mezi úrovněmi Různé typy molekulární spektra. Frekvence spektrálních čar emitovaných molekulami mohou odpovídat přechodům z jedné elektronické úrovně na druhou (elektronická spektra nebo z jedné vibrační (rotační) úrovně do druhé ( vibrační (rotační) spektra Kromě toho jsou možné také přechody se stejnými hodnotami A na úrovně, které mají různé hodnoty všech tří složek, což má za následek elektronicko-vibrační a vibračně-rotační spektra.

Typická molekulární spektra jsou pruhovaná, představující soubor více či méně úzkých pásů v ultrafialové, viditelné a infračervené oblasti.

Pomocí spektrálních přístrojů s vysokým rozlišením lze vidět, že pásma jsou čáry tak blízko sebe, že je obtížné je rozlišit. Struktura molekulárních spekter je pro různé molekuly odlišná a se zvyšujícím se počtem atomů v molekule se stává složitější (pozorují se pouze souvislé široké pásy). Pouze polyatomové molekuly mají vibrační a rotační spektra, zatímco dvouatomové molekuly je nemají. Vysvětluje se to tím, že dvouatomové molekuly nemají dipólové momenty (při vibračních a rotačních přechodech nedochází ke změně dipólového momentu, což je nutná podmínka pro to, aby se pravděpodobnost přechodu lišila od nuly). Molekulární spektra se používají ke studiu struktury a vlastností molekul, používají se v molekulární spektrální analýze, laserové spektroskopii, kvantové elektronice atd.