ลักษณะทั่วไปของสเปกตรัมโมเลกุล ลักษณะทั่วไปของโมเลกุลสเปกตรัมสเปกตรัมของโมเลกุล

การศึกษาสเปกตรัมของโมเลกุลทำให้สามารถระบุแรงที่กระทำระหว่างอะตอมในโมเลกุลพลังงานการแยกตัวของโมเลกุลรูปทรงเรขาคณิตระยะห่างระหว่างนิวเคลียส ฯลฯ เช่น ให้ข้อมูลที่ครอบคลุมเกี่ยวกับโครงสร้างและคุณสมบัติของโมเลกุล

สเปกตรัมของโมเลกุลในความหมายกว้าง ๆ เข้าใจว่าเป็นการกระจายความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับพลังงานสองระดับที่แยกจากกันของโมเลกุล (ดูรูปที่ 9) ขึ้นอยู่กับพลังงานการเปลี่ยนแปลง เนื่องจากในสิ่งต่อไปนี้เราจะพูดถึงสเปกตรัมแสงการเปลี่ยนแปลงแต่ละครั้งจะต้องมาพร้อมกับการปล่อยหรือการดูดซับโฟตอนด้วยพลังงาน

E n \u003d hn \u003d E 2 - E 1, 3.1

โดยที่ E 2 และ E 1 คือพลังงานของระดับที่เกิดการเปลี่ยนแปลง

หากการแผ่รังสีซึ่งประกอบด้วยโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากโมเลกุลของก๊าซถูกส่งผ่านอุปกรณ์สเปกตรัมจะได้สเปกตรัมการแผ่รังสีของโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยเส้นสว่าง (อาจเป็นสี) แยกกัน ยิ่งไปกว่านั้นแต่ละบรรทัดจะสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้อง ในทางกลับกันความสว่างและตำแหน่งของเส้นในสเปกตรัมขึ้นอยู่กับความน่าจะเป็นในการเปลี่ยนแปลงและพลังงาน (ความถี่ความยาวคลื่น) ของโฟตอนตามลำดับ

หากในทางตรงกันข้ามรังสีที่ประกอบด้วยโฟตอนของความยาวคลื่นทั้งหมด (สเปกตรัมต่อเนื่อง) ถูกส่งผ่านก๊าซนี้จากนั้นผ่านอุปกรณ์สเปกตรัมจะได้สเปกตรัมการดูดกลืน ในกรณีนี้สเปกตรัมนี้จะเป็นชุดของเส้นสีเข้มกับพื้นหลังของสเปกตรัมที่สว่างต่อเนื่อง ความคมชัดและตำแหน่งของเส้นในสเปกตรัมที่นี่ยังขึ้นอยู่กับความน่าจะเป็นในการเปลี่ยนแปลงและพลังงานโฟตอนด้วย

ขึ้นอยู่กับโครงสร้างที่ซับซ้อนของระดับพลังงานของโมเลกุล (ดูรูปที่ 9) การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดระหว่างพวกเขาสามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆซึ่งให้ลักษณะของสเปกตรัมโมเลกุลที่แตกต่างกัน

สเปกตรัมที่ประกอบด้วยเส้นที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนระหว่างระดับการหมุน (ดูรูปที่ 8) โดยไม่เปลี่ยนสถานะการสั่นสะเทือนและสถานะอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลเรียกว่าสเปกตรัมการหมุนของโมเลกุล เนื่องจากพลังงานของการเคลื่อนที่แบบหมุนอยู่ในช่วง 10-3 -10 -5 eV ความถี่ของเส้นในสเปกตรัมเหล่านี้ควรอยู่ในย่านไมโครเวฟของความถี่วิทยุ (บริเวณอินฟราเรดไกล)

สเปกตรัมที่ประกอบด้วยเส้นที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนระหว่างระดับการหมุนที่อยู่ในสถานะการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันของโมเลกุลในสถานะอิเล็กทรอนิกส์เดียวกันเรียกว่าสเปกตรัมการสั่นสะเทือนหรือการสั่นสะเทือนของโมเลกุล สเปกตรัมเหล่านี้ที่พลังงานสั่นสะเทือน 10-1-10 -2 eV อยู่ในช่วงความถี่อินฟราเรด

ในที่สุดสเปกตรัมที่ประกอบด้วยเส้นที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนระหว่างระดับการหมุนซึ่งอยู่ในสถานะอิเล็กทรอนิกส์และการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันของโมเลกุลเรียกว่าการสั่นสะเทือนแบบอิเล็กทรอนิกส์หรือเพียงแค่สเปกตรัมอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุล สเปกตรัมเหล่านี้อยู่ในช่วงความถี่ที่มองเห็นได้และอัลตราไวโอเลตเนื่องจาก พลังงานของการเคลื่อนที่ทางอิเล็กทรอนิกส์คืออิเล็กตรอนหลายโวลต์

เนื่องจากการแผ่รังสี (หรือการดูดซับ) ของโฟตอนเป็นกระบวนการทางแม่เหล็กไฟฟ้าเงื่อนไขที่จำเป็นคือการมีอยู่หรือการเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางควอนตัมที่สอดคล้องกันในโมเลกุล ดังนั้นจึงเป็นไปตามที่สเปกตรัมการหมุนและการสั่นสะเทือนสามารถสังเกตได้เฉพาะกับโมเลกุลที่มีโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าเช่น ประกอบด้วยอะตอมที่แตกต่างกัน

การบรรยายครั้งที่ 6

พลังงานโมเลกุล

อะตอม เป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีที่มีคุณสมบัติทางเคมี

อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อยู่ในสนามของมัน ประจุของนิวเคลียสเท่ากับประจุของอิเล็กตรอนทั้งหมด ไอออน อะตอมที่กำหนดเรียกว่าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งเกิดจากการสูญเสียหรือการได้รับอิเล็กตรอนจากอะตอม

โมเลกุลเรียกว่าอนุภาคที่เล็กที่สุดของสารที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีพื้นฐาน

โมเลกุลประกอบด้วยอะตอมเดียวกันหรือต่างกันที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมีระหว่างอะตอม

เพื่อให้เข้าใจถึงสาเหตุที่อะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าสามารถสร้างโมเลกุลที่เสถียรได้เราจึง จำกัด ตัวเองให้พิจารณาโมเลกุลไดอะตอมที่เรียบง่ายที่สุดซึ่งประกอบด้วยอะตอมที่เหมือนกันหรือต่างกันสองอะตอม

แรงที่จับอะตอมในโมเลกุลเกิดจากปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนภายนอก อิเล็กตรอนของเปลือกชั้นในเมื่ออะตอมรวมกันเป็นโมเลกุลจะยังคงอยู่ในสถานะก่อนหน้า

หากอะตอมอยู่ห่างจากกันมากก็จะไม่โต้ตอบกัน เมื่ออะตอมเข้าหากันแรงดึงดูดซึ่งกันและกันจะเพิ่มขึ้น ในระยะทางที่เทียบได้กับขนาดของอะตอมจะมีการแสดงแรงผลักซึ่งกันและกันซึ่งไม่อนุญาตให้อิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งเจาะลึกเกินไปในเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมอื่น

แรงขับดันเป็น "ระยะสั้น" มากกว่าแรงโน้มถ่วง ซึ่งหมายความว่าเมื่อระยะห่างระหว่างอะตอมเพิ่มขึ้นแรงขับไล่จะลดลงเร็วกว่าแรงดึงดูด

กราฟของการพึ่งพาแรงดึงดูดแรงผลักและแรงที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมในฐานะฟังก์ชันของระยะทางมีรูปแบบ:

พลังงานปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนในโมเลกุลถูกกำหนดโดยการจัดเรียงร่วมกันของนิวเคลียสอะตอมและเป็นฟังก์ชันของระยะทางนั่นคือ

พลังงานรวมของโมเลกุลทั้งหมดยังรวมถึงพลังงานจลน์ของนิวเคลียสที่เคลื่อนที่ด้วย

ดังนั้น

นั่นหมายความว่ามันเป็นพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ของนิวเคลียส

จากนั้นจะแสดงถึงแรงปฏิสัมพันธ์ของอะตอมในโมเลกุลไดอะตอม

ดังนั้นกราฟของการพึ่งพาพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ของอะตอมในโมเลกุลเกี่ยวกับระยะห่างระหว่างอะตอมจึงมีรูปแบบ:

เรียกว่าระยะห่างระหว่างอะตอมของสมดุลในโมเลกุล ความยาวการเชื่อมต่อ... ปริมาณ D เรียกว่า พลังงานการแยกตัวของโมเลกุล หรือ พลังงานการสื่อสาร.มันมีค่าเป็นตัวเลขเท่ากับงานที่ต้องทำเพื่อทำลายพันธะเคมีของอะตอมออกเป็นโมเลกุลและกำจัดออกนอกช่วงของแรงระหว่างอะตอม พลังงานการแยกตัวจะเท่ากับพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสร้างโมเลกุล แต่อยู่ตรงข้ามกัน พลังงานการแยกตัวเป็นลบและพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสร้างโมเลกุลเป็นบวก

พลังงานของโมเลกุลขึ้นอยู่กับลักษณะของการเคลื่อนที่ของนิวเคลียส การเคลื่อนไหวนี้สามารถแบ่งออกเป็นการแปลการหมุนและการสั่น ในระยะทางเล็ก ๆ ระหว่างอะตอมในโมเลกุลและปริมาตรที่มากเพียงพอของเรือที่ให้กับโมเลกุล พลังงานแปล มีสเปกตรัมต่อเนื่องและค่าเฉลี่ยคือ

พลังงานหมุนเวียนมีสเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่องและสามารถรับค่าได้

โดยที่ฉันคือเลขควอนตัมแบบหมุน

J คือโมเมนต์ความเฉื่อยของโมเลกุล

พลังงานสั่น ยังมีสเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่องและสามารถรับค่าได้

เลขควอนตัมการสั่นสะเทือนอยู่ที่ไหน

เป็นความถี่ธรรมชาติของการสั่นสะเทือนประเภทนี้

ที่ระดับการสั่นสะเทือนต่ำสุดจะมีพลังงานเป็นศูนย์

รูปแบบของพลังงานจลน์สอดคล้องกับพลังงานของการเคลื่อนที่แบบหมุนและการแปลและพลังงานศักย์ของการเคลื่อนที่ด้วยการสั่นสะเทือน ดังนั้นขั้นตอนพลังงานของการเคลื่อนที่แบบสั่นของโมเลกุลไดอะตอมสามารถแสดงบนกราฟของการพึ่งพาได้

ขั้นตอนพลังงานของการเคลื่อนที่แบบหมุนของโมเลกุลไดอะตอมนั้นอยู่ในลักษณะที่คล้ายคลึงกันมีเพียงระยะห่างระหว่างพวกมันเท่านั้นที่น้อยกว่าขั้นตอนเดียวกันของการเคลื่อนที่ด้วยการสั่นสะเทือน

ประเภทหลักของพันธะระหว่างอะตอม

พันธะระหว่างอะตอมมีสองประเภท: ไอออนิก (หรือเฮเทอโรโพลาร์) และโควาเลนต์ (หรือ homeopolar).

พันธะไอออนิก จะเกิดขึ้นในกรณีเหล่านั้นเมื่ออิเล็กตรอนในโมเลกุลถูกจัดเรียงในลักษณะที่มีส่วนเกินเกิดขึ้นใกล้นิวเคลียสตัวใดตัวหนึ่งและมีการขาดแคลนใกล้กับอีกนิวเคลียส ดังนั้นโมเลกุลจึงประกอบด้วยสองไอออนของสัญญาณตรงข้ามที่ดึงดูดซึ่งกันและกัน ตัวอย่างของโมเลกุลที่มีพันธะไอออนิกคือ NaCl, KCl, RbF, CsJ เป็นต้น เกิดขึ้นจากการเชื่อมต่อของอะตอมของธาตุ ผมth และ viiกลุ่มที่สองของระบบธาตุ Mendeleev ในกรณีนี้อะตอมที่ยึดอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นเข้ากับตัวเองจะได้รับประจุลบและกลายเป็นไอออนลบและอะตอมที่ให้จำนวนอิเล็กตรอนที่สอดคล้องกันจะเปลี่ยนเป็นไอออนบวก ผลรวมของประจุไอออนบวกและลบเป็นศูนย์ ดังนั้นโมเลกุลของไอออนิกจึงเป็นกลางทางไฟฟ้า แรงที่ทำให้เกิดความเสถียรของโมเลกุลนั้นมีลักษณะทางไฟฟ้า

เพื่อให้ตระหนักถึงพันธะไอออนิกจำเป็นที่พลังงานของการปลดปล่อยอิเล็กตรอนนั่นคือการสร้างไอออนบวกจะน้อยกว่าผลรวมของพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการก่อตัวของไอออนลบและพลังงานของพวกมัน การดึงดูดซึ่งกันและกัน

ค่อนข้างชัดเจนว่าการก่อตัวของไอออนบวกจากอะตอมที่เป็นกลางนั้นต้องใช้งานน้อยที่สุดในกรณีที่มีการปลดอิเล็กตรอนที่อยู่ในเปลือกอิเล็กตรอนที่เริ่มสร้างขึ้น

ในทางกลับกันพลังงานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจะถูกปลดปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนติดอยู่กับอะตอมของฮาโลเจนซึ่งขาดอิเล็กตรอนหนึ่งตัวเพื่อเติมเต็มเปลือกอิเล็กตรอน ดังนั้นพันธะไอออนิกจึงเกิดขึ้นในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนซึ่งนำไปสู่การสร้างเปลือกอิเล็กตรอนที่เต็มไปด้วยไอออนที่เกิดขึ้น

การเชื่อมต่ออีกประเภทหนึ่งคือ พันธะโควาเลนต์.

ด้วยการก่อตัวของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมที่เหมือนกันการปรากฏตัวของไอออนที่มีประจุตรงข้ามกันนั้นเป็นไปไม่ได้ ดังนั้นพันธะไอออนิกจึงเป็นไปไม่ได้ อย่างไรก็ตามในธรรมชาติมีสารที่โมเลกุลเกิดขึ้นจากอะตอมที่เหมือนกัน H 2, O 2, น 2 เป็นต้น พันธะในสารประเภทนี้เรียกว่า โควาเลนต์ หรือ homeopolar (homeo - ต่างกัน [กรีก]) นอกจากนี้ยังพบพันธะโควาเลนต์ในโมเลกุลที่มีอะตอมต่างกัน: ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ HF, ไนตริกออกไซด์ ไม่, มีเทน CH 4 เป็นต้น

ธรรมชาติของพันธะโคเวเลนต์สามารถอธิบายได้บนพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น คำอธิบายเชิงกลควอนตัมขึ้นอยู่กับลักษณะคลื่นของอิเล็กตรอน ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนวงนอกของอะตอมจะไม่แตกออกทันทีโดยมีระยะห่างที่เพิ่มขึ้นจากศูนย์กลางของอะตอม แต่จะค่อยๆลดลง เมื่ออะตอมเข้าใกล้กันเมฆอิเล็กตรอนแบบกระจายของอิเล็กตรอนวงนอกจะทับซ้อนกันบางส่วนซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนรูป การคำนวณการเปลี่ยนแปลงสถานะของอิเล็กตรอนอย่างแม่นยำต้องใช้คำตอบของสมการคลื่นSchrödingerสำหรับระบบของอนุภาคทั้งหมดที่เข้าร่วมในปฏิสัมพันธ์ ความซับซ้อนและความยุ่งยากของเส้นทางนี้บังคับให้เรา จำกัด ตัวเองไว้ที่นี่เพียงการพิจารณาเชิงคุณภาพของปรากฏการณ์เท่านั้น

ในกรณีที่ง่ายที่สุด s-สถานะของอิเล็กตรอนเมฆอิเล็กตรอนเป็นทรงกลมของรัศมีหนึ่ง ถ้าอิเล็กตรอนทั้งสองในโมเลกุลโคเวเลนต์แลกเปลี่ยนกันในลักษณะที่อิเล็กตรอน 1 ซึ่งก่อนหน้านี้เป็นของนิวเคลียส " และ"จะเข้ามาแทนที่อิเล็กตรอน 2 ซึ่งเป็นของนิวเคลียส" ข ",และอิเล็กตรอน 2 จะทำการเปลี่ยนกลับจากนั้นจะไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงในสถานะของโมเลกุลโคเวเลนต์

หลักการของ Pauli ทำให้อิเล็กตรอนสองตัวอยู่ในสถานะเดียวกันโดยมีการหมุนตรงกันข้าม การรวมกันของพื้นที่ที่อิเล็กตรอนทั้งสองสามารถอยู่ได้หมายถึงการเกิดขึ้นระหว่างพวกมันของกลเชิงควอนตัมพิเศษ แลกเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์... ในกรณีนี้อิเล็กตรอนแต่ละตัวในโมเลกุลสามารถสลับกันเป็นนิวเคลียสหนึ่งหรือนิวเคลียสอื่นได้

การคำนวณแสดงให้เห็นว่าพลังงานการแลกเปลี่ยนของโมเลกุลเป็นบวกถ้าการหมุนของอิเล็กตรอนที่มีปฏิสัมพันธ์เป็นแบบขนานและเป็นลบหากไม่ขนานกัน

ดังนั้นพันธะประเภทโควาเลนต์จึงมาจากอิเล็กตรอนคู่หนึ่งที่มีสปินตรงกันข้าม ถ้าในพันธะไอออนิกเป็นเรื่องเกี่ยวกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งการเชื่อมต่อจะดำเนินการโดยการวางนัยทั่วไปของอิเล็กตรอนและการสร้างพื้นที่ร่วมสำหรับการเคลื่อนที่ของพวกมัน

สเปกตรัมโมเลกุล

สเปกตรัมโมเลกุลแตกต่างจากอะตอมมาก ในขณะที่สเปกตรัมของอะตอมประกอบด้วยเส้นแต่ละเส้นสเปกตรัมโมเลกุลประกอบด้วยแถบที่คมที่ขอบด้านหนึ่งและเบลออีกด้านหนึ่ง ดังนั้นจึงเรียกโมเลกุลสเปกตรัม สเปกตรัมลาย.

แถบในสเปกตรัมโมเลกุลจะสังเกตเห็นได้ในช่วงความถี่อินฟราเรดที่มองเห็นได้และอัลตราไวโอเลตของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในกรณีนี้ลายทางจะถูกจัดเรียงตามลำดับที่แน่นอนกลายเป็นชุดของลาย สเปกตรัมประกอบด้วยอนุกรมจำนวนหนึ่ง

กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายถึงธรรมชาติของสเปกตรัมโมเลกุล การตีความเชิงทฤษฎีของสเปกตรัมของโมเลกุลโพลีอะตอมมีความซับซ้อนมาก เราจะ จำกัด ตัวเองให้พิจารณาเฉพาะโมเลกุลไดอะตอม

ก่อนหน้านี้เราสังเกตว่าพลังงานของโมเลกุลขึ้นอยู่กับลักษณะของการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสอะตอมและระบุพลังงานสามประเภทนี้ ได้แก่ การแปลการหมุนและการสั่นสะเทือน นอกจากนี้พลังงานของโมเลกุลยังถูกกำหนดโดยธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน เรียกพลังงานประเภทนี้ว่า พลังงานอิเล็กทรอนิกส์ และเป็นส่วนประกอบของพลังงานทั้งหมดของโมเลกุล

ดังนั้นพลังงานทั้งหมดของโมเลกุลคือ:

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานการแปลไม่สามารถนำไปสู่การปรากฏของเส้นสเปกตรัมในสเปกตรัมของโมเลกุลได้ดังนั้นเราจะไม่รวมพลังงานประเภทนี้ในการพิจารณาสเปกตรัมของโมเลกุลต่อไป แล้ว

ตามกฎความถี่ของบอร์ ( สาม-สมมติฐานของบอร์) ความถี่ของควอนตัมที่ปล่อยออกมาโดยโมเลกุลเมื่อสถานะพลังงานเปลี่ยนไป

ประสบการณ์และการศึกษาทางทฤษฎีได้แสดงให้เห็นว่า

ดังนั้นด้วยความตื่นเต้นที่อ่อนแอมันจะเปลี่ยนไปเท่านั้นโดยที่แข็งแกร่งขึ้น - และแข็งแกร่งยิ่งขึ้น - ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับสเปกตรัมโมเลกุลประเภทต่างๆ

สเปกตรัมการหมุนของโมเลกุล

มาเริ่มตรวจสอบการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากพลังงานส่วนเล็ก ๆ จนกว่าขนาดของควอนตัมพลังงานจะเท่ากับระยะห่างระหว่างสองระดับที่ใกล้ที่สุดโมเลกุลจะไม่ดูดซับ โดยการค่อยๆเพิ่มความถี่เราจะไปถึงควอนต้าที่สามารถยกโมเลกุลจากขั้นตอนหนึ่งไปยังอีกขั้น สิ่งนี้เกิดขึ้นในย่านอินฟราเรดของลำดับ 0.1-1 มม.

ที่ไหนและเป็นค่าของจำนวนควอนตัมการหมุนที่ระดับพลังงานที่ -th และ -th

ตัวเลขควอนตัมแบบหมุนและสามารถมีค่าได้เช่น การเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้ถูก จำกัด โดยกฎการเลือก

การดูดกลืนควอนตัมโดยโมเลกุลจะถ่ายโอนจากระดับพลังงานการหมุนหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่งที่สูงกว่าและนำไปสู่การปรากฏตัวของเส้นสเปกตรัมของสเปกตรัมการดูดกลืนแบบหมุน เมื่อความยาวคลื่นลดลง (เช่นตัวเลขเปลี่ยนไป) เส้นใหม่ของสเปกตรัมการดูดกลืนจะปรากฏขึ้นในภูมิภาคนี้ ชุดของเส้นทั้งหมดให้ความคิดเกี่ยวกับการกระจายของสถานะพลังงานการหมุนของโมเลกุล

จนถึงตอนนี้เราได้พิจารณาสเปกตรัมการดูดซึมของโมเลกุลแล้ว สเปกตรัมการแผ่รังสีของโมเลกุลยังเป็นไปได้ การปรากฏตัวของเส้นในสเปกตรัมการแผ่รังสีการหมุนเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลจากระดับพลังงานการหมุนด้านบนไปสู่ระดับล่าง

สเปกตรัมการหมุนทำให้สามารถกำหนดระยะทางระหว่างโมเลกุลในโมเลกุลอย่างง่ายได้อย่างแม่นยำ เมื่อทราบโมเมนต์ความเฉื่อยและมวลของอะตอมจึงสามารถกำหนดระยะห่างระหว่างอะตอมได้ สำหรับโมเลกุลไดอะตอม

สเปกตรัมการสั่นสะเทือนและการหมุนของโมเลกุล

การดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นไมครอนโดยสารทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับพลังงานการสั่นสะเทือนและนำไปสู่การปรากฏของสเปกตรัมการสั่นสะเทือนของโมเลกุล อย่างไรก็ตามเมื่อระดับพลังงานสั่นสะเทือนของโมเลกุลเปลี่ยนไปสถานะพลังงานการหมุนของมันก็เปลี่ยนไปเช่นกัน การเปลี่ยนระหว่างระดับพลังงานสั่นสะเทือนสองระดับจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงสถานะพลังงานการหมุน สิ่งนี้ก่อให้เกิดสเปกตรัมการสั่นสะเทือนและการหมุนของโมเลกุล

หากโมเลกุลสั่นและหมุนพร้อมกันพลังงานของมันจะถูกกำหนดโดยตัวเลขควอนตัมสองตัวและ:

เมื่อคำนึงถึงกฎการเลือกสำหรับตัวเลขควอนตัมทั้งสองเราได้รับสูตรต่อไปนี้สำหรับความถี่ของสเปกตรัมการสั่นสะเทือนและการหมุน (สูตรก่อนหน้า / h และละทิ้งระดับพลังงานก่อนหน้านั่นคือคำศัพท์ในวงเล็บ):

ในกรณีนี้เครื่องหมาย (+) จะสอดคล้องกับการเปลี่ยนจากระดับที่ต่ำกว่าไปสู่ระดับการหมุนที่สูงขึ้นและเครื่องหมาย (-) จะตรงกับตำแหน่งย้อนกลับ ส่วนที่สั่นสะเทือนของความถี่กำหนดพื้นที่สเปกตรัมที่วงดนตรีตั้งอยู่ ส่วนที่หมุนได้กำหนดโครงสร้างที่ละเอียดของแถบเช่น การแยกเส้นสเปกตรัมแต่ละเส้น

ตามแนวคิดคลาสสิกการหมุนหรือการสั่นสะเทือนของโมเลกุลไดอะตอมสามารถนำไปสู่การปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ก็ต่อเมื่อโมเลกุลนั้นมีโมเมนต์ไดโพลที่ไม่ใช่ศูนย์ เงื่อนไขนี้เป็นจริงสำหรับโมเลกุลที่เกิดจากอะตอมที่แตกต่างกันสองอะตอมนั่นคือ สำหรับโมเลกุลที่ไม่สมมาตร

โมเลกุลสมมาตรที่เกิดจากอะตอมที่เหมือนกันจะมีโมเมนต์ไดโพลเป็นศูนย์ ดังนั้นตามหลักพลศาสตร์คลาสสิกการสั่นสะเทือนและการหมุนของโมเลกุลดังกล่าวไม่สามารถทำให้เกิดรังสีได้ ทฤษฎีควอนตัมนำไปสู่ผลลัพธ์ที่คล้ายกัน

สเปกตรัมการสั่นสะเทือนของโมเลกุล

การดูดซึมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงที่มองเห็นได้และช่วงอัลตราไวโอเลตจะนำไปสู่การเปลี่ยนโมเลกุลระหว่างระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกันเช่น กับการเกิดขึ้นของสเปกตรัมอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุล ระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์แต่ละระดับสอดคล้องกับการกระจายตัวของอิเล็กตรอนเชิงพื้นที่หรือตามที่กล่าวไว้ว่าการกำหนดค่าของอิเล็กตรอนที่มีพลังงานไม่ต่อเนื่อง โครงร่างของอิเล็กตรอนแต่ละตัวสอดคล้องกับระดับพลังงานการสั่นสะเทือนที่หลากหลาย

การเปลี่ยนระหว่างระดับอิเล็กทรอนิกส์สองระดับจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนที่ใช้ร่วมกันระหว่างระดับการสั่นสะเทือน นี่คือลักษณะที่สเปกตรัมการสั่นสะเทือนแบบอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลปรากฏขึ้นซึ่งประกอบด้วยกลุ่มของเส้นปิด

ระบบระดับการหมุนถูกซ้อนทับบนสถานะพลังงานการสั่นสะเทือนแต่ละสถานะ ดังนั้นความถี่ของโฟตอนในระหว่างการเปลี่ยนแปลงทางอิเล็กทรอนิกส์ - การสั่นสะเทือนจะถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงของพลังงานทั้งสามประเภท:

ความถี่ - กำหนดตำแหน่งของสเปกตรัม

สเปกตรัมการสั่นสะเทือนแบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดเป็นระบบของวงดนตรีหลายกลุ่มซึ่งมักจะทับซ้อนกันและประกอบเป็นแถบกว้าง

การศึกษาและตีความสเปกตรัมของโมเลกุลช่วยให้คุณเข้าใจโครงสร้างโดยละเอียดของโมเลกุลและสามารถประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์ทางเคมีได้อย่างกว้างขวาง

แสงรามัญกระเจิง

ปรากฏการณ์นี้ประกอบด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าในสเปกตรัมการกระเจิงที่เกิดขึ้นเมื่อแสงผ่านก๊าซของเหลวหรือตัวผลึกโปร่งใสพร้อมกับการกระเจิงของแสงที่มีความถี่คงที่ความถี่ที่สูงกว่าหรือต่ำกว่าจะปรากฏขึ้นซึ่งสอดคล้องกับความถี่ของ การเปลี่ยนการสั่นสะเทือนหรือการหมุนทำให้โมเลกุลกระจัดกระจาย

ปรากฏการณ์การกระเจิงของชาวรามัญมีคำอธิบายเชิงกลควอนตัมง่ายๆ กระบวนการกระเจิงของแสงโดยโมเลกุลถือได้ว่าเป็นการชนกันของโฟตอนกับโมเลกุลแบบไม่ยืดหยุ่น เมื่อเกิดการชนกันโฟตอนสามารถให้กับโมเลกุลหรือรับจากมันได้เฉพาะพลังงานในปริมาณที่เท่ากับความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานทั้งสอง ถ้าเมื่อชนกับโฟตอนโมเลกุลจะผ่านจากสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าไปยังสถานะที่มีพลังงานสูงกว่าก็จะสูญเสียพลังงานและความถี่จะลดลง สิ่งนี้จะสร้างเส้นในสเปกตรัมของโมเลกุลซึ่งจะเลื่อนเมื่อเทียบกับเส้นหลักไปสู่ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น ถ้าหลังจากชนกับโฟตอนโมเลกุลจะผ่านจากสถานะที่มีพลังงานสูงกว่าไปยังสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าเส้นจะถูกสร้างขึ้นในสเปกตรัมที่เปลี่ยนไปเมื่อเทียบกับเส้นหลักไปสู่ความยาวคลื่นที่สั้นกว่า

การศึกษาการกระเจิงของรามานให้ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุล ด้วยวิธีนี้ความถี่ในการสั่นสะเทือนตามธรรมชาติของโมเลกุลจะถูกกำหนดได้อย่างง่ายดายและรวดเร็ว นอกจากนี้ยังช่วยให้คุณสามารถตัดสินลักษณะของความสมมาตรของโมเลกุล

เรืองแสง

หากโมเลกุลของสารสามารถถูกทำให้เข้าสู่สภาวะตื่นเต้นได้โดยไม่ต้องเพิ่มพลังงานจลน์เฉลี่ยนั่นคือ หากไม่มีความร้อนจากนั้นการเรืองแสงของร่างกายเหล่านี้หรือการเรืองแสงจะเกิดขึ้น

การเรืองแสงมีสองประเภท: เรืองแสง และ ฟอสฟอรัส.

เรืองแสงการเรืองแสงเรียกว่าซึ่งจะหยุดทันทีหลังจากสิ้นสุดการกระทำของเชื้อโรคเรืองแสง

ในระหว่างการเรืองแสงจะมีการเปลี่ยนโมเลกุลจากสภาวะตื่นเต้นไปสู่ระดับที่ต่ำกว่าโดยธรรมชาติ การเรืองแสงประเภทนี้มีระยะเวลาสั้นมาก (ประมาณ 10 -7 วินาที)

ฟอสฟอรัสเรียกว่าการเรืองแสงซึ่งจะคงความเรืองแสงไว้เป็นเวลานานหลังจากการกระทำของสารเรืองแสง

ในระหว่างการเรืองแสงโมเลกุลจะผ่านจากสถานะตื่นเต้นไปสู่ระดับที่แพร่กระจายได้ แพร่กระจายได้ ระดับดังกล่าวเรียกว่าการเปลี่ยนจากระดับไปสู่ระดับล่างนั้นไม่น่าเป็นไปได้ การแผ่รังสีในกรณีนี้อาจเกิดขึ้นได้หากโมเลกุลกลับสู่ระดับตื่นเต้นอีกครั้ง

การเปลี่ยนจากสถานะที่แพร่กระจายไปสู่สถานะที่ตื่นเต้นนั้นเป็นไปได้เฉพาะเมื่อมีการกระตุ้นเพิ่มเติมเท่านั้น สาเหตุเพิ่มเติมนี้อาจเป็นอุณหภูมิของสาร ที่อุณหภูมิสูงการเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิต่ำอย่างช้าๆ

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วการเรืองแสงภายใต้การกระทำของแสงเรียกว่า แสงภายใต้การกระทำของการทิ้งระเบิดของอิเล็กตรอน - cathodoluminescenceภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า - อิเล็กโตรลูมิเนสเซนส์ภายใต้อิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงทางเคมี - เคมีลูมิเนส.

เครื่องขยายควอนตัมและเครื่องกำเนิดรังสี

ในช่วงกลางทศวรรษที่ 50 ของศตวรรษของเราการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัมเริ่มขึ้น ในปีพ. ศ. 2497 ผลงานของนักวิชาการ N.G. Basov และ A.M. Prokhorov ผู้ซึ่งอธิบายเครื่องกำเนิดควอนตัมของคลื่นวิทยุอัลตราไวโอเลตในช่วงเซนติเมตรเรียกว่า maser (การขยายไมโครแวร์โดยการปล่อยรังสีกระตุ้น) มีการตั้งชื่อชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเครื่องขยายสัญญาณสำหรับแสงที่มองเห็นได้และอินฟราเรดที่ปรากฏในยุค 60 เครื่องกำเนิดควอนตัมเชิงแสง หรือ เลเซอร์ (การขยายแสงโดยการปล่อยรังสีกระตุ้น)

อุปกรณ์ทั้งสองประเภททำงานบนพื้นฐานของผลของรังสีที่กระตุ้นหรือเหนี่ยวนำ

ให้เราอาศัยรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับรังสีประเภทนี้

การแผ่รังสีประเภทนี้เป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับอะตอมของสารที่คลื่นผ่าน

ในอะตอมการเปลี่ยนจากระดับพลังงานที่สูงขึ้นไปสู่ระดับที่ต่ำกว่าจะเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ (หรือเกิดขึ้นเอง) อย่างไรก็ตามภายใต้อิทธิพลของรังสีตกกระทบการเปลี่ยนภาพดังกล่าวเป็นไปได้ทั้งในทิศทางไปข้างหน้าและในทิศทางตรงกันข้าม การเปลี่ยนเหล่านี้เรียกว่า ถูกบังคับ หรือ ชักนำ... เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงที่ถูกบังคับจากระดับตื่นเต้นไปสู่ระดับพลังงานต่ำอะตอมจะปล่อยโฟตอนที่เพิ่มเติมจากโฟตอนที่เกิดการเปลี่ยนแปลง

ในกรณีนี้ทิศทางของการแพร่กระจายของโฟตอนนี้และด้วยเหตุนี้รังสีที่ถูกกระตุ้นทั้งหมดจึงเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางการแพร่กระจายของรังสีภายนอกที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนั่นคือ การปล่อยที่ถูกกระตุ้นนั้นสอดคล้องกันอย่างเคร่งครัดกับการปล่อยที่กระตุ้น.

ดังนั้นโฟตอนใหม่ซึ่งปรากฏเป็นผลมาจากการปล่อยที่ถูกกระตุ้นจะขยายแสงที่ผ่านตัวกลาง อย่างไรก็ตามในเวลาเดียวกันกับรังสีเหนี่ยวนำกระบวนการดูดซับแสงเกิดขึ้นตั้งแต่ โฟตอนการแผ่รังสีที่กระตุ้นจะถูกดูดซับโดยอะตอมที่ระดับพลังงานต่ำและอะตอมจะเคลื่อนที่ไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้น และ

กระบวนการถ่ายโอนสภาพแวดล้อมไปสู่สถานะผกผันเรียกว่า สูบสื่อขยายเสียง มีหลายวิธีในการสูบจ่ายขนาดกลาง สิ่งที่ง่ายที่สุดคือการสูบน้ำด้วยแสงของตัวกลางซึ่งอะตอมจะถูกถ่ายโอนจากระดับล่างไปยังระดับความตื่นเต้นสูงสุดโดยการฉายรังสีของแสงที่มีความถี่ดังกล่าว

ในตัวกลางที่มีสถานะกลับหัวการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นจะเกินการดูดซับของแสงโดยอะตอมซึ่งเป็นผลมาจากการขยายลำแสงที่ตกกระทบ

พิจารณาอุปกรณ์ที่ใช้สื่อดังกล่าวซึ่งใช้เป็นเครื่องกำเนิดคลื่นในช่วงแสงหรือ เลเซอร์.

ส่วนหลักคือคริสตัลของทับทิมเทียมซึ่งก็คืออลูมินาซึ่งอะตอมของอลูมิเนียมบางส่วนถูกแทนที่ด้วยอะตอมของโครเมียม เมื่อคริสตัลทับทิมถูกฉายรังสีด้วยแสงที่มีความยาวคลื่น 5600 โครเมียมไอออนจะเคลื่อนที่ไปที่ระดับพลังงานด้านบน

การเปลี่ยนกลับสู่สถานะพื้นเกิดขึ้นในสองขั้นตอน ในขั้นตอนแรกไอออนที่ถูกกระตุ้นจะให้พลังงานส่วนหนึ่งไปที่โครงตาข่ายคริสตัลและผ่านเข้าสู่สถานะที่แพร่กระจายได้ ไอออนอยู่ในระดับนี้เป็นเวลานานกว่าที่ระดับบน เป็นผลให้เกิดสภาวะผกผันของระดับการแพร่กระจาย

การกลับมาของไอออนสู่สถานะพื้นจะมาพร้อมกับการปล่อยเส้นสีแดงสองเส้น: และ การกลับมานี้เกิดขึ้นเหมือนหิมะถล่มภายใต้การกระทำของโฟตอนที่มีความยาวคลื่นเดียวกันนั่นคือ ด้วยรังสีบังคับ การกลับมานี้เร็วกว่าการปล่อยแสงที่เกิดขึ้นเองมากดังนั้นแสงจึงขยายออกไป

ทับทิมที่ใช้ในเลเซอร์มีลักษณะเป็นแท่งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 ซม. และยาว 4-5 ซม. ปลายแบนของแท่งนี้ถูกขัดเงาและชุบเงินเพื่อให้เป็นกระจกสองบานที่อยู่ตรงข้ามกันซึ่งหนึ่งในนั้น โปร่งแสง แท่งทับทิมทั้งหมดตั้งอยู่ใกล้กับหลอดอิเล็กตรอนแบบพัลซิ่งด้วยความช่วยเหลือของตัวกลางที่สูบด้วยแสง โฟตอนทิศทางของการเคลื่อนที่ซึ่งก่อให้เกิดมุมเล็ก ๆ กับแกนของทับทิมสัมผัสกับการสะท้อนหลายครั้งจากปลายของมัน

ดังนั้นเส้นทางของพวกมันในคริสตัลจะยาวมากและโฟตอนลดหลั่นในทิศทางนี้จะได้รับการพัฒนามากที่สุด

โฟตอนที่ปล่อยออกมาเองตามธรรมชาติในทิศทางอื่นออกจากคริสตัลผ่านพื้นผิวด้านข้างโดยไม่ก่อให้เกิดการแผ่รังสีเพิ่มเติม

เมื่อลำแสงตามแนวแกนมีความเข้มข้นเพียงพอส่วนหนึ่งของลำแสงจะพุ่งออกไปทางปลายกึ่งโปร่งใสของคริสตัล

ความร้อนจำนวนมากถูกสร้างขึ้นภายในคริสตัล ดังนั้นจึงต้องมีการระบายความร้อนอย่างเข้มข้น

รังสีเลเซอร์มีคุณสมบัติหลายประการ โดดเด่นด้วย:

1. การเชื่อมโยงระหว่างโลกและเชิงพื้นที่

2. monochromaticity ที่เข้มงวด;

3. พลังงานสูง

4. ความแคบของลำแสง

การแผ่รังสีที่เชื่อมโยงกันสูงเปิดโอกาสกว้าง ๆ สำหรับการใช้เลเซอร์สำหรับการสื่อสารทางวิทยุโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการสื่อสารทางวิทยุแบบกำหนดทิศทางในอวกาศ หากพบวิธีในการปรับและลดแสงข้อมูลจำนวนมากสามารถส่งผ่านได้ ดังนั้นในแง่ของปริมาณข้อมูลที่ส่งเลเซอร์หนึ่งตัวสามารถแทนที่ระบบการสื่อสารทั้งหมดระหว่างชายฝั่งตะวันออกและตะวันตกของสหรัฐอเมริกาได้

ความกว้างเชิงมุมของลำแสงเลเซอร์มีขนาดเล็กมากจนเมื่อใช้การโฟกัสด้วยกล้องส่องทางไกลจะสามารถหาจุดแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 กม. บนพื้นผิวดวงจันทร์ได้ ลำแสงกำลังสูงและความแคบช่วยให้เมื่อโฟกัสด้วยเลนส์ได้รับความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงานสูงกว่าความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงานที่ได้รับจากการโฟกัสแสงแดดถึง 1,000 เท่า ลำแสงดังกล่าวสามารถใช้สำหรับการตัดเฉือนและการเชื่อมเพื่อให้มีอิทธิพลต่อปฏิกิริยาทางเคมี ฯลฯ

ข้างต้นไม่ได้ทำให้ความเป็นไปได้ทั้งหมดของเลเซอร์หมดไป เป็นแหล่งกำเนิดแสงรูปแบบใหม่ที่สมบูรณ์และยังยากที่จะจินตนาการถึงพื้นที่ที่เป็นไปได้ทั้งหมดของการใช้งาน

ข้อกำหนดเฉพาะระดับโมเลกุลสเปกตรัมการปล่อยและการดูดกลืนของแม่เหล็กไฟฟ้า การฉายรังสีและการรวมกัน การกระเจิงของแสงเป็นของโมเลกุลอิสระหรือมีพันธะที่อ่อนแอ พวกมันดูเหมือนชุดของแถบ (เส้น) ในบริเวณ X-ray, UV, มองเห็นได้, IR และคลื่นวิทยุ (รวมถึงไมโครเวฟ) ของสเปกตรัม ตำแหน่งของแถบ (เส้น) ในการแผ่รังสี (สเปกตรัมการปล่อยโมเลกุล) และสเปกตรัมการดูดกลืน (สเปกตรัมการดูดกลืนโมเลกุล) มีลักษณะความถี่ v (ความยาวคลื่น l \u003d c / v โดยที่ c คือความเร็วของแสง) และหมายเลขคลื่น \u003d 1 / l; มันถูกกำหนดโดยความแตกต่างระหว่างพลังงาน E "และ E: สถานะเหล่านั้นของโมเลกุลที่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางควอนตัม:

(h คือค่าคงที่ของพลังค์) ด้วยการผสมผสาน การกระจัดกระจายค่าของ hv เท่ากับผลต่างระหว่างพลังงานของเหตุการณ์และโฟตอนที่กระจัดกระจาย ความเข้มของแถบ (เส้น) สัมพันธ์กับจำนวน (ความเข้มข้น) ของโมเลกุลประเภทหนึ่งจำนวนประชากรของระดับพลังงาน E "และ E: และความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกัน

ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนผ่านที่มีการแผ่รังสีหรือการดูดกลืนรังสีจะพิจารณาจากกำลังสองของอิเลคตรอนองค์ประกอบเมทริกซ์เป็นหลัก โมเมนต์ไดโพลของการเปลี่ยนแปลงและด้วยการพิจารณาที่แม่นยำยิ่งขึ้น - และกำลังสองขององค์ประกอบเมทริกซ์ และไฟฟ้า โมเมนต์กำลังสองของโมเลกุล (ดูการเปลี่ยนควอนตัม) ด้วยการผสมผสาน ในการกระเจิงของแสงความน่าจะเป็นในการเปลี่ยนจะสัมพันธ์กับองค์ประกอบเมทริกซ์ของโมเมนต์ไดโพลที่เหนี่ยวนำ (เหนี่ยวนำ) ของการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลนั่นคือ ด้วยองค์ประกอบเมทริกซ์ของโมเลกุลโพลาไรซ์

สถานะของท่าเรือ ระบบการเปลี่ยนแปลงระหว่างที่แสดงออกมาในรูปของสเปกตรัมโมเลกุลบางชนิดมีลักษณะที่แตกต่างกันและมีพลังงานแตกต่างกันอย่างมาก ระดับพลังงานบางประเภทตั้งอยู่ห่างจากกันดังนั้นในระหว่างการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลจะดูดซับหรือปล่อยรังสีความถี่สูงออกมา ระยะห่างระหว่างระดับของธรรมชาติอื่น ๆ มีขนาดเล็กและในบางกรณีหากไม่มีภายนอก เขตข้อมูลระดับผสาน (เสื่อม) ที่ความแตกต่างของพลังงานเล็กน้อยจะสังเกตเห็นการเปลี่ยนผ่านในย่านความถี่ต่ำ ตัวอย่างเช่นนิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบบางอย่างมีในตัวเอง แม็กซ์ โมเมนต์และไฟฟ้า โมเมนต์กำลังสองที่เกี่ยวข้องกับการหมุน อิเล็กตรอนยังมีแม็ก ช่วงเวลาที่เกี่ยวข้องกับการหมุนของพวกเขา ในกรณีที่ไม่มี ext. แม็กซ์ฟิลด์ปฐมนิเทศ ช่วงเวลานั้นเป็นไปตามอำเภอใจเช่น พวกมันไม่ได้วัดปริมาณและพลังที่สอดคล้องกัน รัฐกำลังเสื่อมโทรม เมื่อวางซ้อน ext. แม็กซ์ถาวร สนามความเสื่อมจะเพิ่มขึ้นและการเปลี่ยนระหว่างระดับพลังงานที่สังเกตได้ในย่านความถี่วิทยุของสเปกตรัมเป็นไปได้ นี่คือวิธีที่สเปกตรัมของ NMR และ EPR เกิดขึ้น (ดูการสั่นพ้องของแม่เหล็กนิวเคลียร์การสั่นพ้องพาราแมกเนติกของอิเล็กตรอน)

การแจกแจงแบบจลน์ พลังงานของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากท่าเรือ ระบบอันเป็นผลมาจากการสัมผัสกับรังสีเอกซ์หรือรังสียูวีอย่างหนักทำให้ X-rayสเปกโทรสโกปีและโฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี เพิ่มเติม กระบวนการในท่าเรือ ระบบที่เกิดจากการกระตุ้นครั้งแรกนำไปสู่การปรากฏตัวของสเปกตรัมอื่น ๆ ดังนั้น Auger spectra จึงเกิดขึ้นจากการผ่อนคลาย การจับอิเล็กตรอนจากส่วนต่อขยาย เปลือก k.-l. อะตอมบน int ว่าง เปลือกและพลังงานที่ปล่อยออกมาจะถูกเปลี่ยนรูป ในการเคลื่อนไหว พลังงานของอิเล็กตรอนอื่นต่อ เปลือกที่ปล่อยออกมาจากอะตอม ในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงทางควอนตัมเกิดขึ้นจากสถานะหนึ่งของโมเลกุลที่เป็นกลางไปเป็นสถานะของท่าเรือ ไอออน (ดู Auger spectroscopy)

ตามเนื้อผ้าเฉพาะสเปกตรัมที่เกี่ยวข้องกับสเปกตรัมแสงเท่านั้นที่เรียกว่าสเปกตรัมโมเลกุลที่เหมาะสม การเปลี่ยนระหว่างอิเล็กตรอน - การสั่นสะเทือน - หมุนระดับพลังงานของโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับพื้นฐานสามประการ ประเภทของพลัง ระดับของโมเลกุล - E el อิเล็กทรอนิกส์จำนวน E ที่สั่นสะเทือนและ E vr แบบหมุนซึ่งสอดคล้องกับภายในสามประเภท การเคลื่อนไหวในโมเลกุล พลังงานของการกำหนดค่าสมดุลของโมเลกุลในสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่กำหนดจะถูกนำมาเป็น E el ชุดของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นไปได้ของโมเลกุลถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของเปลือกอิเล็กตรอนและสมมาตร การสั่น การเคลื่อนที่ของนิวเคลียสในโมเลกุลที่สัมพันธ์กับตำแหน่งสมดุลของพวกมันในสถานะอิเล็กทรอนิกส์แต่ละครั้งจะถูกวัดปริมาณเพื่อให้หลาย ๆ ตัวสั่นสะเทือน องศาแห่งอิสระเกิดระบบการสั่นสะเทือนที่ซับซ้อน ระดับพลังงาน E นับ การหมุนของโมเลกุลโดยรวมเป็นระบบแข็งของนิวเคลียสที่ถูกผูกไว้นั้นมีลักษณะการหมุน ช่วงเวลาของการนับการเคลื่อนที่ to-ry เป็นเชิงปริมาณการหมุน สถานะ (ระดับพลังงานการหมุน) เวลา E โดยปกติแล้วพลังงานของการเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์จะมีลำดับหลายอย่าง eV, การสั่นสะเทือน -10-2 ... 10 -1 eV, การหมุน -10-5 ... 10 -3 eV

ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานที่มีการเปลี่ยนแปลงด้วยการปล่อยการดูดซึมหรือการผสมผสาน กระจัดกระจายแม่เหล็กไฟฟ้า รังสี - อิเล็กทรอนิกส์สั่นสะเทือน หรือหมุนแยกอิเล็กทรอนิกส์สั่น และสเปกตรัมโมเลกุลแบบหมุน บทความอิเล็กทรอนิกส์สเปกตรัมสเปกตรัมการสั่นสะเทือนสเปกตรัมการหมุนให้ข้อมูลเกี่ยวกับสถานะที่สอดคล้องกันของโมเลกุลกฎการเลือกสำหรับการเปลี่ยนควอนตัมวิธีการโมล สเปกโทรสโกปีตลอดจนลักษณะของโมเลกุลม. ข. ได้รับจากสเปกตรัมของโมเลกุล: เกาะศักดิ์สิทธิ์และสมมาตรของสถานะอิเล็กทรอนิกส์สั่นสะเทือน ค่าคงที่, พลังงานการแยกส่วน, สมมาตรของโมเลกุล, หมุน ค่าคงที่ช่วงเวลาแห่งความเฉื่อย geom พารามิเตอร์ไฟฟ้า ช่วงเวลาไดโพลข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างและ int สนามพลัง ฯลฯ สเปกตรัมการดูดกลืนและการเรืองแสงแบบอิเล็กทรอนิกส์ในบริเวณที่มองเห็นได้และ UV จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับการกระจาย

คลื่นความถี่เรียกว่าลำดับควอนตาของพลังงานของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าดูดซึมปล่อยกระจายหรือสะท้อนจากสสารในระหว่างการเปลี่ยนอะตอมและโมเลกุลจากสถานะพลังงานหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง

ขึ้นอยู่กับลักษณะของปฏิสัมพันธ์ของแสงกับสสารสเปกตรัมสามารถแบ่งออกเป็นสเปกตรัมการดูดซับ (การดูดซับ) การปล่อย (การปล่อย); การกระเจิงและการสะท้อน

สำหรับวัตถุที่อยู่ระหว่างการศึกษาออปติคอลสเปกโทรสโกปีเช่น สเปกโทรสโกปีในช่วงความยาวคลื่น 10 -3 ÷ 10 -8 มแบ่งออกเป็นอะตอมและโมเลกุล

สเปกตรัมของอะตอมเป็นลำดับของเส้นตำแหน่งที่กำหนดโดยพลังงานของการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากระดับหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง

พลังงานอะตอมสามารถแสดงเป็นผลรวมของพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่เชิงแปลและพลังงานอิเล็กทรอนิกส์:

ความถี่อยู่ที่ไหนคือความยาวคลื่นคือจำนวนคลื่นคือความเร็วแสงคือค่าคงที่พลังค์

เนื่องจากพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของเลขควอนตัมหลักดังนั้นสำหรับเส้นในสเปกตรัมอะตอมเราจึงสามารถเขียนสมการได้:

(4.12)

ที่นี่ - พลังงานอิเล็กตรอนในระดับที่สูงขึ้นและต่ำลง - ค่าคงที่ Rydberg; - เงื่อนไขสเปกตรัมแสดงในหน่วยการวัดจำนวนคลื่น (ม. -1, ซม. -1)

ทุกเส้นของสเปกตรัมอะตอมจะมาบรรจบกันในบริเวณความยาวคลื่นสั้นจนถึงขีด จำกัด ที่กำหนดโดยพลังงานไอออไนเซชันของอะตอมหลังจากนั้นจะมีสเปกตรัมต่อเนื่อง

พลังงานโมเลกุลในการประมาณครั้งแรกถือได้ว่าเป็นผลรวมของพลังงานการแปลการหมุนการสั่นสะเทือนและอิเล็กทรอนิกส์:

(4.15)

สำหรับโมเลกุลส่วนใหญ่จะเป็นไปตามเงื่อนไขนี้ ตัวอย่างเช่นสำหรับ H2 ที่ 291K ส่วนประกอบแต่ละส่วนของพลังงานทั้งหมดจะแตกต่างกันตามลำดับขนาดหรือมากกว่า:

309,5 กิโลจูล / โมล

=25,9 กิโลจูล / โมล

2,5 กิโลจูล / โมล

=3,8 กิโลจูล / โมล

ค่าพลังงานของควอนต้าในพื้นที่ต่างๆของสเปกตรัมถูกเปรียบเทียบในตารางที่ 4.2

ตารางที่ 4.2 - พลังงานของควอนต้าที่ดูดซึมของบริเวณต่างๆของสเปกตรัมแสงของโมเลกุล

แนวคิดของ "การสั่นของนิวเคลียส" และ "การหมุนของโมเลกุล" เป็นไปตามเงื่อนไข ในความเป็นจริงการเคลื่อนที่ประเภทนี้สื่อถึงความคิดเกี่ยวกับการกระจายของนิวเคลียสในอวกาศซึ่งมีลักษณะที่น่าจะเป็นไปได้เช่นเดียวกับการกระจายของอิเล็กตรอน

ระบบแผนผังระดับพลังงานในกรณีของโมเลกุลไดอะตอมแสดงในรูปที่ 4.1

การเปลี่ยนระหว่างระดับพลังงานการหมุนทำให้เกิดสเปกตรัมการหมุนในบริเวณ IR และไมโครเวฟที่ห่างไกล การเปลี่ยนระหว่างระดับการสั่นสะเทือนภายในระดับอิเล็กทรอนิกส์หนึ่งให้สเปกตรัมการสั่นสะเทือนและการหมุนในบริเวณ IR ใกล้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงจำนวนควอนตัมการสั่นสะเทือนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจำนวนควอนตัมการหมุนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในที่สุดการเปลี่ยนระหว่างระดับอิเล็กทรอนิกส์ทำให้เกิดการปรากฏตัวของสเปกตรัมการสั่นสะเทือนและการหมุนแบบอิเล็กทรอนิกส์ในบริเวณที่มองเห็นได้และ UV

ในกรณีทั่วไปจำนวนการเปลี่ยนภาพอาจมีมาก แต่ในความเป็นจริงไม่ใช่ทั้งหมดที่ปรากฏในสเปกตรัม จำนวนการเปลี่ยนมี จำกัด กฎการเลือก .

สเปกตรัมโมเลกุลให้ข้อมูลที่หลากหลาย สามารถใช้:

สำหรับการระบุสารในการวิเคราะห์เชิงคุณภาพตั้งแต่ สารแต่ละชนิดมีสเปกตรัมของตัวเองซึ่งมีอยู่ในตัวมันเท่านั้น

สำหรับการวิเคราะห์เชิงปริมาณ

สำหรับการวิเคราะห์กลุ่มโครงสร้างเนื่องจากบางกลุ่มเช่น\u003e C \u003d O, _ NH 2, _ OH เป็นต้นให้แถบลักษณะเฉพาะในสเปกตรัม

เพื่อกำหนดสถานะพลังงานของโมเลกุลและลักษณะโมเลกุล (ระยะห่างระหว่างนิวเคลียร์โมเมนต์ความเฉื่อยความถี่การสั่นสะเทือนตามธรรมชาติพลังงานการแยกตัว) การศึกษาสเปกตรัมของโมเลกุลอย่างครอบคลุมทำให้สามารถสรุปข้อสรุปเกี่ยวกับโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลได้

ในการศึกษาเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวรวมถึงการศึกษาปฏิกิริยาที่รวดเร็วมาก

- พลังงานระดับอิเล็กทรอนิกส์

ระดับพลังงานสั่นสะเทือน

พลังงานหมุนเวียน

รูปที่ 4.1 - แผนผังการจัดเรียงระดับพลังงานของโมเลกุลไดอะตอม

กฎหมาย Bouguer-Lambert-Beer

การวิเคราะห์โมเลกุลเชิงปริมาณโดยใช้สเปกโทรสโกปีโมเลกุลเป็นไปตาม กฎหมาย Bouguer-Lambert-Beer เกี่ยวกับความเข้มของเหตุการณ์และแสงที่ส่งผ่านกับความเข้มข้นและความหนาของชั้นดูดซับ (รูปที่ 4.2):

หรือด้วยปัจจัยตามสัดส่วน:

ผลการรวม:

(4.19)

(4.20)

ด้วยการลดลงของความเข้มของแสงที่ตกกระทบตามลำดับขนาด

(4.21)

ถ้า \u003d 1 mol / l นั่นคือ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนเท่ากับความหนาของชั้นซึ่งมีความเข้มข้นเท่ากับ 1 ความเข้มของแสงที่ตกกระทบจะลดลงตามลำดับขนาด

ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมและขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ประเภทของการพึ่งพานี้เป็น "ลายนิ้วมือ" ของโมเลกุลซึ่งใช้ในการวิเคราะห์เชิงคุณภาพเพื่อระบุสาร การพึ่งพาอาศัยกันนี้เป็นลักษณะเฉพาะและเป็นรายบุคคลสำหรับสารเฉพาะและสะท้อนให้เห็นถึงกลุ่มลักษณะและพันธะที่ประกอบกันเป็นโมเลกุล

ความหนาแน่นของแสง ง

แสดงเป็น%

4.2.3 พลังงานหมุนเวียนของโมเลกุลไดอะตอมในการประมาณโรเตเตอร์แบบแข็ง สเปกตรัมการหมุนของโมเลกุลและการประยุกต์ใช้ในการกำหนดลักษณะโมเลกุล

การปรากฏตัวของสเปกตรัมการหมุนมีความสัมพันธ์กับความจริงที่ว่าพลังงานการหมุนของโมเลกุลนั้นถูกหาปริมาณเช่น

และ

พลังงานของการหมุนของโมเลกุลรอบแกนหมุน

ตั้งแต่จุด โอ คือจุดศูนย์ถ่วงของโมเลกุลจากนั้น:

การแนะนำการกำหนดมวลที่ลดลง:

(4.34)

นำไปสู่สมการ

(4.35)

ดังนั้นโมเลกุลไดอะตอม (รูปที่ 4.7 และ) หมุนรอบแกนหรือผ่านจุดศูนย์ถ่วงสามารถทำให้ง่ายขึ้นเพื่อให้ถือว่าเป็นอนุภาคที่มีมวลซึ่งอธิบายถึงวงกลมที่มีรัศมีรอบจุด โอ (รูปที่ 4.7 ข).

การหมุนของโมเลกุลรอบแกนจะให้โมเมนต์ความเฉื่อยเท่ากับศูนย์เนื่องจากรัศมีของอะตอมน้อยกว่าระยะนิวเคลียร์มาก การหมุนเกี่ยวกับแกนหรือซึ่งตั้งฉากกันกับเส้นพันธะของโมเลกุลนำไปสู่ช่วงเวลาแห่งความเฉื่อยเท่ากัน:

เลขควอนตัมแบบหมุนอยู่ที่ไหนรับเฉพาะค่าจำนวนเต็ม

0, 1, 2 …. ตาม กฎการเลือกสำหรับสเปกตรัมการหมุน ในโมเลกุลไดอะตอมการเปลี่ยนแปลงจำนวนควอนตัมการหมุนเมื่อดูดซับควอนตัมพลังงานเป็นไปได้เพียงครั้งเดียวนั่นคือ

แปลงสมการ (4.37) เป็นรูปแบบ:

จำนวนคลื่นของเส้นในสเปกตรัมการหมุนที่สอดคล้องกับการดูดกลืนโฟตอนเมื่อเปลี่ยนจาก ญ ระดับพลังงานต่อระดับ ญ+1 สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ:

ดังนั้นสเปกตรัมการหมุนในการประมาณของโมเดลโรเตเตอร์แบบแข็งจึงเป็นระบบของเส้นที่อยู่ในระยะห่างเดียวกันจากกัน (รูปที่ 4.5b) ตัวอย่างสเปกตรัมการหมุนของโมเลกุลไดอะตอมที่ประมาณไว้ในแบบจำลองโรเตเตอร์แบบแข็งแสดงในรูปที่ 4.6

และ ข

รูปที่ 4.6 - สเปกตรัมการหมุน HF (และ) และ บจก(ข)

สำหรับโมเลกุลของไฮโดรเจนเฮไลด์สเปกตรัมนี้จะถูกเลื่อนไปที่บริเวณไกล IR ของสเปกตรัมสำหรับโมเลกุลที่หนักกว่า - ไปยังไมโครเวฟ

จากความสม่ำเสมอที่ได้รับของการปรากฏตัวของสเปกตรัมการหมุนของโมเลกุลไดอะตอมในทางปฏิบัติก่อนอื่นให้กำหนดระยะห่างระหว่างเส้นที่อยู่ติดกันในสเปกตรัมซึ่งจะพบเพิ่มเติมและตามสมการ

(4.45)

ที่ไหน - ค่าคงที่การบิดเบือนแรงเหวี่ยง , เกี่ยวข้องกับค่าคงที่การหมุนโดยความสัมพันธ์โดยประมาณ ... การแก้ไขควรคำนึงถึงเฉพาะขนาดใหญ่มาก ญ.

สำหรับโมเลกุลโพลีอะตอมในกรณีทั่วไปการดำรงอยู่ของช่วงเวลาแห่งความเฉื่อยที่แตกต่างกันสามช่วงเวลานั้นเป็นไปได้ ... เมื่อมีองค์ประกอบสมมาตรในโมเลกุลช่วงเวลาแห่งความเฉื่อยอาจตรงกันหรือเท่ากับศูนย์ ตัวอย่างเช่น, สำหรับโมเลกุลโพลีอะตอมเชิงเส้น (CO 2, OCS, HCN ฯลฯ )

ที่ไหน - ตำแหน่งของเส้นที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงแบบหมุน ในโมเลกุลที่แทนที่ด้วยไอโซโทป

ในการคำนวณค่าของการเปลี่ยนไอโซโทปของเส้นนั้นจำเป็นต้องคำนวณมวลที่ลดลงของโมเลกุลที่แทนที่ด้วยไอโซโทปตามลำดับโดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงมวลอะตอมของไอโซโทปโมเมนต์ความเฉื่อยค่าคงที่การหมุนและ ตำแหน่งของเส้นในสเปกตรัมของโมเลกุลตามสมการ (4.34) (4.35) (4.39) และ (4.43) ตามลำดับหรือประมาณอัตราส่วนของจำนวนคลื่นของเส้นที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงเดียวกันในไอโซโทป และโมเลกุลที่ไม่ใช่ไอโซโทปแล้วกำหนดทิศทางและขนาดของการเปลี่ยนไอโซโทปโดยสมการ (4.50) ถ้าระยะห่างระหว่างนิวเคลียสมีค่าคงที่โดยประมาณ จากนั้นอัตราส่วนของ wavenumbers จะสอดคล้องกับอัตราส่วนผกผันของมวลที่ลดลง:

จำนวนอนุภาคทั้งหมดอยู่ที่ไหนคือจำนวนอนุภาคต่อ ผม- ระดับพลังงานที่อุณหภูมิ ที, k- ค่าคงที่ Boltzmann, - และสถิติ เฉียบพลัน ระดับความเสื่อม ผมระดับพลังงานที่สองแสดงลักษณะของความน่าจะเป็นในการค้นหาอนุภาคในระดับที่กำหนด

สำหรับสถานะการหมุนเวียนประชากรระดับมักจะมีลักษณะอัตราส่วนของจำนวนอนุภาคต่อ ญ- ระดับพลังงานนั้นเท่ากับจำนวนอนุภาคที่ระดับศูนย์:

(4.53)

ที่ไหน - น้ำหนักทางสถิติ ญ-th ระดับพลังงานการหมุนสอดคล้องกับจำนวนการคาดการณ์โมเมนตัมของโมเลกุลที่หมุนบนแกน - เส้นพันธะของโมเลกุล พลังงานของระดับการหมุนเป็นศูนย์ ... ฟังก์ชันผ่านค่าสูงสุดเมื่อเพิ่มขึ้น ญดังรูปที่ 4.7 แสดงตัวอย่างของโมเลกุล CO

สุดขั้วของฟังก์ชันสอดคล้องกับระดับที่มีประชากรสัมพัทธ์สูงสุดค่าของจำนวนควอนตัมซึ่งสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการที่ได้รับหลังจากกำหนดอนุพันธ์ของฟังก์ชันที่ปลายสุด:

(4.54)

รูปที่ 4.7 - ประชากรสัมพัทธ์ของระดับพลังงานหมุนเวียน

โมเลกุล บจกที่อุณหภูมิ 298 และ 1,000 K

ตัวอย่าง.ในสเปกตรัมการหมุน HI ระยะห่างระหว่างเส้นที่อยู่ติดกันจะถูกกำหนด ซม. -1... คำนวณค่าคงที่ในการหมุนโมเมนต์ความเฉื่อยและระยะสมดุลระหว่างนิวเคลียสในโมเลกุล

การตัดสินใจ

ในการประมาณแบบจำลองโรเตเตอร์แบบแข็งตามสมการ (4.45) เรากำหนดค่าคงที่การหมุน:

ซม. -1.

โมเมนต์ความเฉื่อยของโมเลกุลคำนวณจากค่าของค่าคงที่การหมุนตามสมการ (4.46):

กิโลกรัม . ม. 2.

ในการกำหนดระยะสมดุลภายในนิวเคลียร์เราใช้สมการ (4.47) โดยคำนึงว่ามวลของนิวเคลียสของไฮโดรเจน และไอโอดีน แสดงเป็นกก.:

ตัวอย่าง.ในย่านอินฟราเรดไกลของสเปกตรัมของ 1 H 35 Cl พบเส้นจำนวนคลื่นซึ่ง ได้แก่ :

กำหนดค่าเฉลี่ยของโมเมนต์ความเฉื่อยและระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของโมเลกุล กำหนดเส้นที่สังเกตได้ในสเปกตรัมเป็นการเปลี่ยนการหมุน

การตัดสินใจ

ตามแบบจำลองโรเตเตอร์แบบแข็งความแตกต่างระหว่างจำนวนคลื่นของเส้นที่อยู่ติดกันของสเปกตรัมการหมุนจะคงที่และเท่ากับ 2 ให้เรากำหนดค่าคงที่การหมุนจากระยะห่างเฉลี่ยระหว่างเส้นที่อยู่ติดกันในสเปกตรัม:

ซม. -1,

ซม. -1

ค้นหาโมเมนต์ความเฉื่อยของโมเลกุล (สมการ (4.46)):

เราคำนวณระยะห่างระหว่างนิวเคลียสสมดุล (สมการ (4.47)) โดยคำนึงว่ามวลของนิวเคลียสไฮโดรเจน และคลอรีน (แสดงเป็นกก.):

ใช้สมการ (4.43) เราประมาณตำแหน่งของเส้นในสเปกตรัมการหมุนของ 1 H 35 Cl:

ให้เราเปรียบเทียบค่าที่คำนวณได้ของจำนวนคลื่นของเส้นกับค่าทดลอง ปรากฎว่าเส้นที่สังเกตได้ในสเปกตรัมการหมุนของ 1 H 35 Cl สอดคล้องกับการเปลี่ยน:

N บรรทัด
, ซม. -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

ตัวอย่าง.กำหนดขนาดและทิศทางของการเปลี่ยนไอโซโทปของเส้นดูดกลืนที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนจาก ระดับพลังงานในสเปกตรัมการหมุนของโมเลกุล 1 H 35 Cl ด้วยการแทนที่อะตอมคลอรีนสำหรับไอโซโทป 37 Cl ระยะห่างระหว่างนิวเคลียสใน 1 H 35 Cl และ 1 H 37 Cl โมเลกุลถือว่าเท่ากัน

การตัดสินใจ

เพื่อกำหนดค่าของการเปลี่ยนไอโซโทปของเส้นที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลง เราคำนวณมวลที่ลดลงของโมเลกุล 1 H 37 Cl โดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงมวลอะตอมของ 37 Cl:

จากนั้นเราคำนวณโมเมนต์ความเฉื่อยค่าคงที่การหมุนและตำแหน่งของเส้น ในสเปกตรัมของโมเลกุล 1 H 37 Cl และการเปลี่ยนไอโซโทปตามสมการ (4.35), (4.39), (4.43) และ (4.50) ตามลำดับ

มิฉะนั้นการเลื่อนของไอโซโทปสามารถประมาณได้จากอัตราส่วนของจำนวนคลื่นของเส้นที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงเดียวกันในโมเลกุล (ถือว่าระยะห่างระหว่างนิวเคลียสเป็นค่าคงที่) จากนั้นจึงกำหนดตำแหน่งของเส้นในสเปกตรัมโดยใช้ Eqn (4.51)

สำหรับโมเลกุล 1 H 35 Cl และ 1 H 37 Cl อัตราส่วนของ wavenumbers ของการเปลี่ยนแปลงที่กำหนดคือ:

ในการกำหนดหมายเลขคลื่นของเส้นของโมเลกุลที่แทนที่ด้วยไอโซโทปเราจะแทนที่ค่าของจำนวนคลื่นการเปลี่ยนแปลงที่พบในตัวอย่างก่อนหน้า ญ → ญ+1 (3→4):

เราสรุปได้ว่าการเปลี่ยนไอโซโทปในย่านความถี่ต่ำหรือคลื่นยาวคือ

85.384-83.049 \u003d 2.335 ซม. -1.

ตัวอย่าง.คำนวณวาเวนเบอร์และความยาวคลื่นของเส้นสเปกตรัมที่เข้มข้นที่สุดของสเปกตรัมการหมุนของโมเลกุล 1 H 35 Cl จับคู่เส้นกับการเปลี่ยนหมุนเวียนที่สอดคล้องกัน

การตัดสินใจ

เส้นที่เข้มข้นที่สุดในสเปกตรัมการหมุนของโมเลกุลสัมพันธ์กับประชากรสัมพัทธ์สูงสุดของระดับพลังงานการหมุน

การแทนที่ค่าคงที่การหมุนที่พบในตัวอย่างก่อนหน้าสำหรับ 1 H 35 Cl ( cm -1) ลงในสมการ (4.54) ช่วยให้คุณคำนวณจำนวนระดับพลังงานนี้:

เราคำนวณ wavenumber ของการเปลี่ยนการหมุนจากระดับนี้โดยใช้สมการ (4.43):

เราพบความยาวคลื่นการเปลี่ยนแปลงจากการเปลี่ยนแปลงที่สัมพันธ์กับสมการ (4.11):

4.2.4 ภารกิจหลายตัวแปรหมายเลข 11 "สเปกตรัมการหมุนของโมเลกุลไดอะตอม"

1. เขียนสมการเชิงกลควอนตัมสำหรับคำนวณพลังงานการหมุนของโมเลกุลไดอะตอมเป็นโรเตเตอร์แบบแข็ง

2. หาสมการสำหรับคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานการหมุนของโมเลกุลไดอะตอมเป็นโรเตเตอร์ที่แข็งเมื่อเคลื่อนที่ไปยังระดับควอนตัมที่อยู่ใกล้เคียงและสูงกว่า .

3. หาสมการสำหรับการพึ่งพาจำนวนคลื่นของเส้นการหมุนในสเปกตรัมการดูดกลืนของโมเลกุลไดอะตอมบนเลขควอนตัมการหมุน

4. หาสมการสำหรับการคำนวณความแตกต่างระหว่าง wavenumbers ของเส้นที่อยู่ติดกันในสเปกตรัมการดูดกลืนแบบหมุนของโมเลกุลไดอะตอม

5. คำนวณค่าคงที่การหมุน (ในหน่วยซม. -1 และม. -1) ของโมเลกุลไดอะตอม ก โดย wavenumbers ของสองเส้นที่อยู่ติดกันในย่านอินฟราเรดคลื่นยาวของสเปกตรัมการดูดกลืนแบบหมุนของโมเลกุล (ดูตารางที่ 4.3)

6. กำหนดพลังงานการหมุนของโมเลกุล ก ในระดับการหมุนควอนตัมห้าครั้งแรก (J)

7. วาดแผนผังระดับพลังงานของการเคลื่อนที่แบบหมุนของโมเลกุลไดอะตอมเป็นตัวหมุนแบบแข็ง

8. วาดระดับควอนตัมแบบหมุนของโมเลกุลที่ไม่ใช่โรเตเตอร์แบบแข็งบนแผนภาพนี้ด้วยเส้นประ

9. หาสมการสำหรับคำนวณระยะสมดุลภายในนิวเคลียร์โดยพิจารณาจากความแตกต่างของวาเวนเบอร์รี่ของเส้นข้างเคียงในสเปกตรัมการดูดกลืนแบบหมุน

10. กำหนดโมเมนต์ความเฉื่อย (kg.m 2) ของโมเลกุลไดอะตอม ก.

11. คำนวณมวลที่ลดลง (กก.) ของโมเลกุล ก.

12. คำนวณระยะสมดุลภายในนิวเคลียส () ของโมเลกุล ก... เปรียบเทียบค่าที่ได้รับกับข้อมูลอ้างอิง

13. กำหนดเส้นที่สังเกตได้ในสเปกตรัมการหมุนของโมเลกุล ก เพื่อเปลี่ยนการหมุน

14. คำนวณจำนวนคลื่นของเส้นสเปกตรัมที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนการหมุนจากระดับ ญ สำหรับโมเลกุล ก(ดูตาราง 4.3)

15. คำนวณมวลที่ลดลง (กก.) ของโมเลกุลทดแทนไอโซโทป ข.

16. คำนวณจำนวนคลื่นของเส้นสเปกตรัมที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนการหมุนจากระดับ ญ สำหรับโมเลกุล ข(ดูตาราง 4.3) ระยะทางระหว่างนิวเคลียสในโมเลกุล ก และ ข ถือว่าเท่าเทียมกัน

17. กำหนดขนาดและทิศทางของการเลื่อนของไอโซโทปในสเปกตรัมการหมุนของโมเลกุล ก และ ข สำหรับเส้นสเปกตรัมที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนไปสู่ระดับการหมุน ญ.

18. อธิบายสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ใช่เชิงเดี่ยวในความเข้มของเส้นดูดกลืนเมื่อพลังงานการหมุนของโมเลกุลเพิ่มขึ้น

19. กำหนดจำนวนควอนตัมของระดับการหมุนที่สอดคล้องกับประชากรสัมพัทธ์สูงสุด คำนวณความยาวคลื่นของเส้นสเปกตรัมที่เข้มข้นที่สุดของสเปกตรัมการหมุนของโมเลกุล ก และ ข.

พันธะเคมีและโครงสร้างโมเลกุล

โมเลกุล - อนุภาคที่เล็กที่สุดของสารประกอบด้วยอะตอมเดียวกันหรือต่างกันที่เชื่อมต่อกัน พันธะเคมีและเป็นพาหะของคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพขั้นพื้นฐาน พันธะเคมีเกิดจากปฏิสัมพันธ์ของเวเลนซ์อิเล็กตรอนภายนอกของอะตอม ส่วนใหญ่พันธะในโมเลกุลมีสองประเภท: ไอออนิกและโควาเลนต์

พันธะไอออนิก (ตัวอย่างเช่นในโมเลกุล NaCl, KBr) ดำเนินการโดยปฏิสัมพันธ์ไฟฟ้าสถิตของอะตอมในระหว่างการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งนั่นคือ ด้วยการก่อตัวของไอออนบวกและลบ

พันธะโควาเลนต์ (ตัวอย่างเช่นในโมเลกุล H 2, C 2, CO) เกิดขึ้นเมื่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกันโดยอะตอมใกล้เคียงสองอะตอม (การหมุนของเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะต้องเป็นแบบคู่ขนานกัน) พันธะโควาเลนต์อธิบายโดยอาศัยหลักการของการแยกไม่ออกของอนุภาคที่เหมือนกันตัวอย่างเช่นอิเล็กตรอนในโมเลกุลไฮโดรเจน การแยกไม่ออกของอนุภาคนำไปสู่ แลกเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์

โมเลกุลคือระบบควอนตัม อธิบายโดยสมการSchrödingerซึ่งคำนึงถึงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในโมเลกุลการสั่นของอะตอมในโมเลกุลและการหมุนของโมเลกุล การแก้สมการนี้เป็นปัญหาที่ยากมากซึ่งโดยปกติจะแบ่งออกเป็นสองส่วน: สำหรับอิเล็กตรอนและนิวเคลียส พลังงานโมเลกุลที่แยกได้:

โดยที่พลังงานของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเทียบกับนิวเคลียสคือพลังงานของการสั่นของนิวเคลียส (อันเป็นผลมาจากการที่ตำแหน่งสัมพัทธ์ของนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ) คือพลังงานของการหมุนของนิวเคลียส (อันเป็นผลมาจากการวางแนวของ โมเลกุลในอวกาศเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ ๆ ) สูตร (13.1) ไม่ได้คำนึงถึงพลังงานของการเคลื่อนที่เชิงแปลของจุดศูนย์กลางมวลของโมเลกุลและพลังงานของนิวเคลียสของอะตอมในโมเลกุล กลุ่มแรกไม่ได้วัดปริมาณดังนั้นการเปลี่ยนแปลงจึงไม่สามารถนำไปสู่การปรากฏตัวของสเปกตรัมโมเลกุลและอย่างที่สองสามารถละเว้นได้หากไม่พิจารณาโครงสร้างไฮเปอร์ไฟน์ของเส้นสเปกตรัม ได้รับการพิสูจน์แล้วว่า eV eV, eV ดังนั้น \u003e\u003e\u003e\u003e

พลังงานแต่ละอย่างที่รวมอยู่ในนิพจน์ (13.1) เป็นเชิงปริมาณ (ชุดของระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องสอดคล้องกัน) และถูกกำหนดโดยตัวเลขควอนตัม ในการเปลี่ยนจากสถานะพลังงานหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งพลังงาน D จะถูกดูดซับหรือปล่อยออกมา E \u003d hv.ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวพลังงานของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนพลังงานของการสั่นและการหมุนจะเปลี่ยนไปพร้อมกัน จากทฤษฎีและการทดลองพบว่าระยะห่างระหว่างระดับพลังงานการหมุน D น้อยกว่าระยะห่างระหว่างระดับการสั่นสะเทือน D มากซึ่งในทางกลับกันจะน้อยกว่าระยะห่างระหว่างระดับอิเล็กทรอนิกส์ D รูปที่ 13.1 ในแผนผังแสดงระดับพลังงาน ของโมเลกุลไดอะตอม (ตัวอย่างเช่นมีการพิจารณาระดับอิเล็กทรอนิกส์เพียงสองระดับเท่านั้น - แสดงเป็นเส้นหนา)

โครงสร้างของโมเลกุลและคุณสมบัติของระดับพลังงานเป็นที่ประจักษ์ใน สเปกตรัมโมเลกุล– สเปกตรัมการปล่อย (การดูดซึม) ที่เกิดจากการเปลี่ยนควอนตัมระหว่างระดับพลังงานของโมเลกุล สเปกตรัมการแผ่รังสีของโมเลกุลถูกกำหนดโดยโครงสร้างของระดับพลังงานและกฎการเลือกที่เกี่ยวข้อง

ดังนั้นสำหรับการเปลี่ยนประเภทต่างๆระหว่างระดับจึงเกิดสเปกตรัมโมเลกุลประเภทต่างๆ ความถี่ของเส้นสเปกตรัมที่ปล่อยออกมาจากโมเลกุลสามารถสอดคล้องกับการเปลี่ยนจากระดับอิเล็กทรอนิกส์หนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง (สเปกตรัมอิเล็กทรอนิกส์) หรือจากระดับการสั่นสะเทือน (การหมุน) หนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง ( สเปกตรัมการสั่นสะเทือน (หมุน)นอกจากนี้ยังสามารถเปลี่ยนการเปลี่ยนที่มีค่าเดียวกันได้อีกด้วย และ ไปยังระดับที่มีค่าอื่น ๆ สำหรับทั้งสามองค์ประกอบส่งผลให้ สเปกตรัมการสั่นสะเทือนและการสั่นสะเทือนแบบอิเล็กทรอนิกส์.

สเปกตรัมของโมเลกุลโดยทั่วไปมีลายซึ่งเป็นกลุ่มของแถบแคบมากหรือน้อยในบริเวณอัลตราไวโอเลตที่มองเห็นได้และอินฟราเรด

ด้วยการใช้เครื่องมือสเปกตรัมที่มีความละเอียดสูงจะเห็นได้ว่าแถบนั้นมีระยะห่างที่ใกล้เคียงกันมากจนยากที่จะแก้ไข โครงสร้างของโมเลกุลสเปกตรัมแตกต่างกันไปสำหรับโมเลกุลที่แตกต่างกันและมีความซับซ้อนมากขึ้นเมื่อจำนวนอะตอมในโมเลกุลเพิ่มขึ้น (สังเกตเฉพาะแถบกว้างที่ต่อเนื่องกันเท่านั้น) โมเลกุลโพลีอะตอมเท่านั้นที่มีสเปกตรัมการสั่นสะเทือนและการหมุนในขณะที่โมเลกุลไดอะตอมไม่มี สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าโมเลกุลของไดอะตอมไม่มีโมเมนต์ไดโพล (ในระหว่างการเปลี่ยนการสั่นสะเทือนและการหมุนจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ไดโพลซึ่งเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างจากศูนย์) สเปกตรัมของโมเลกุลใช้เพื่อศึกษาโครงสร้างและคุณสมบัติของโมเลกุลใช้ในการวิเคราะห์สเปกตรัมของโมเลกุลเลเซอร์สเปกโทรสโกปีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม ฯลฯ