В то время как атомные спектры состоят из отдельных линий, молекулярные спектры при наблюдении в прибор средней разрешающей силы представляются состоящими из (см. рис. 40.1 на котором дан участок спектра, получающегося при тлеющем разряде в воздухе).
При применении приборов высокой разрешающей силы обнаруживается, что полосы состоят из большого числа тесно расположенных линий (см. рис. 40.2, на котором видна тонкая структура одной из полос спектра молекул азота).
В соответствии с их характером спектры молекул носят название полосатых спектров. В зависимости от того, изменение каких видов энергии (электронной, колебательной или вращательной) обусловливает испускание молекулой фотона, различают три вида полос: 1) вращательные, 2) колебательновращательные и 3) электронно-колебательные. Полосы на рис. 40.1 принадлежат к электронно-колебательному типу. Для полос этого типа характерно наличие резкого края, называемого кантом полосы. Другой край такой полосы оказывается размытым. Кант бывает обусловлен сгущением линий, образующих полосу. У вращательных и колебательно-вращательных полос канта нет.
Мы ограничимся рассмотрением вращательных и колебательно-вращательных спектров двухатомных молекул. Энергия таких молекул слагается из электронной, колебательной и вращательной энергий (см. формулу (39.6)). В основном состоянии молекулы все три вида энергии имеют минимальное значение. При сообщении молекуле достаточного количества энергии она переходит в возбужденное состояние и затем, совершая разрешенный правилами отбора переход в одно из более низких энергетических состояний, излучает фотон:
(необходимо иметь в виду, что как , так и отличаются для различных электронных конфигураций молекулы).
В предыдущем параграфе было указано, что
Поэтому при слабых возбуждениях изменяется только при более сильных - и лишь при еще более сильных возбуждениях изменяется электронная конфигурация молекулы, т. е. .
Вращательные полосы. Наименьшей энергией обладают фотоны, соответствующие переходам молекулы из одного вращательного состояния в другое (электронная конфигурация и энергия колебания при этом не изменяются):
Возможные изменения квантового числа ограничены правилом отбора (39.5). Поэтому частоты линий, испускаемых при переходах меледу вращательными уровнями, могут иметь значения:
где -квантовое число уровня, на который совершается переход (оно может иметь значения: 0, 1, 2, ...), а
На рис. 40.3 показана схема возникновения вращательной полосы.
Вращательный спектр состоит из ряда равноотстоящих линий, расположенных в очень далекой инфракрасной области. Измерив расстояние между линиями можно определить константу (40.1) и найти момент инерции молекулы. Затем, зная массы ядер, можно вычислить равновесное расстояние между ними в двухатомной молекуле.
Расстояние между линиями Ли бывает порядка так что для моментов инерции молекул получаются значения порядка Например, для молекулы что соответствует .
Колебательно-вращательные полосы. В случае, когда при переходе изменяется и колебательное, и вращательное состояние молекулы (рис. 40.4), энергия излучаемого фотона будет равна
Для квантового числа v действует правило отбора (39.3), для J - правило (39.5).
Поскольку испускание фотона может наблюдаться не только при и при . В случае, если частоты фотонов определяются формулой
где J - вращательное квантовое число нижнего уровня, которое может принимать значения: 0, 1, 2, ; В - величина (40.1).
Если формула для частоты фотонов имеет вид
где - вращательное квантовое число нижнего уровня, которое может принимать значения: 1, 2, ... (в этом случае не может иметь значения 0, так как тогда J равнялось бы -1).
Оба случая можно охватить одной формулой:
Совокупность линий с частотами, определяемыми этой формулой, называется колебательно-вращательной полосой. Колебательная часть частоты определяет спектральную область, в которой располагается полоса; вращательная часть определяет тонкую структуру полосы, т. е. расщепление отдельных линий. Область, в которой располагаются колебательно-вращательные полосы, простирается примерно от 8000 до 50000 А.
Из рис. 40.4 видно, что колебательно-вращательная полоса состоит из совокупности симметричных относительно линий, отстоящих друг от друга на Только в середине полосы расстояние в два раза больше, так как линия с частотой не возникает.
Расстояние между компонентами колебательно-вращательной полосы связано с моментом инерции молекулы таким же соотношением, как и в случае вращательной полосы, так что, измерив это расстояние, можно найти момент инерции молекулы.
Заметим, что в полном соответствии с выводами теории вращательные и колебательно-вращательные спектры наблюдаются на опыте только для несимметричных двухатомных молекул (т. е. молекул, образованных двумя различными атомами). У симметричных молекул дипольный момент равен нулю, что приводит к запрету вращательных и колебательно-вращательных переходов. Электронно-колебательные спектры наблюдаются как для несимметричных, так и для симметричных молекул.
Химические связи и строение молекул.
Молекула – наименьшая частица вещества, состоящая из одинаковых или различных атомов, соединенных между собой химическими связями , и являющаяся носителем его основных химических и физических свойств. Химические связи обусловлены взаимодействием внешних, валентных электронов атомов. Наиболее часто в молекулах встречается два типа связи: ионная и ковалентная.
Ионная связь (например, в молекулах NaCl , КВr ) осуществляется электростатическим взаимодействием атомов при переходе электрона от одного атома к другому, т.е. при образовании положительного и отрицательного ионов.
Ковалентная связь (например, в молекулах Н 2 , C 2 , CO) осуществляется при обобществлении валентных электронов двумя соседними атомами (спины валентных электронов должны быть антипараллельны). Ковалентная связь объясняется на основе принципа неразличимости тождественных частиц, например электронов в молекуле водорода. Неразличимость частиц приводит к обменному взаимодействию.
Молекула является квантовой системой; она описывается уравнением Шредингера, учитывающим движение электронов в молекуле, колебания атомов молекулы, вращение молекулы. Решение этого уравнения – очень сложная задача, которая обычно разбивается на две: для электронов и ядер. Энергия изолированной молекулы:
где – энергия движения электронов относительно ядер, – энергия колебаний ядер (в результате которых периодически изменяется относительное положение ядер), – энергия вращения ядер (в результате которых периодически изменяется ориентация молекулы в пространстве). В формуле (13.1) не учтены энергия поступательного движения центра масс молекулы и энергия ядер атомов в молекуле. Первая из них не квантуется, поэтому ее изменения не могут привести к возникновению молекулярного спектра, а вторую можно не учитывать, если не рассматривать сверхтонкую структуру спектральных линий. Доказано, что эВ, 
эВ, 
эВ, поэтому >>>>.
Каждая из входящих в выражение (13.1) энергий квантуется (ей соответствует набор дискретных уровней энергии) и определяется квантовыми числами. При переходе из одного энергетического состояния в другое поглощается или испускается энергия DE=hv. При таких переходах одновременно изменяются энергия движения электронов, энергии колебаний и вращения. Из теории и эксперимента следует, что расстояние между вращательными уровнями энергии Dгораздо меньше расстояния между колебательными уровнями D, которое, в свою очередь, меньше расстояния между электронными уровнями D. На рисунке 13.1 схематически представлены уровни энергии двухатомной молекулы (для примера рассмотрены только два электронных уровня – показаны жирными линиями).
Строение молекул и свойства их энергетических уровней проявляются в молекулярных спектрах
–
спектрах излучения (поглощения), возникающих при квантовых переходах между уровнями энергии молекул. Спектр излучения молекулы определяется структурой ее энергетических уровней и соответствующими правилами отбора.
Итак, при разных типах переходов между уровнями возникают различные типы молекулярных спектров. Частоты спектральных линий, испускаемых молекулами, могут соответствовать переходам с одного электронного уровня на другой (электронные спектры )или с одного колебательного (вращательного) уровня на другой (колебательные (вращательные) спектры ).Кроме того, возможны и переходы с одними значениями и на уровни, имеющие другие значения всех трех компонентов, в результате чего возникают электронно-колебательные и колебательно-вращательные спектры .
Типичные молекулярные спектры – полосатые, представляющие собой совокупность более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях.
Применяя спектральные приборы высокой разрешающей способности, можно видеть, что полосы представляют собой настолько тесно расположенные линии, что они с трудом разрешаются. Структура молекулярных спектров различна для разных молекул и с увеличением числа атомов в молекуле усложняется (наблюдаются лишь сплошные широкие полосы). Колебательными и вращательными спектрами обладают только многоатомные молекулы, а двухатомные их не имеют. Это объясняется тем, что двухатомные молекулы не имеют дипольных моментов (при колебательных и вращательных переходах отсутствует изменение дипольного момента, что является необходимым условием отличия от нуля вероятности перехода). Молекулярные спектры применяются для исследования строения и свойств молекул, используются в молекулярном спектральном анализе, лазерной спектроскопии, квантовой электронике и т.д.
1. В отличие от оптических линейчатых спектров с их сложностью и разнообразием, рентгеновские характеристические спектры различных элементов отличаются простотой и однообразием. С ростом атомного номера Z элемента они монотонно смещаются в коротковолновую сторону.
2. Характеристические спектры разных элементов имеют сходный характер (однотипны) и не меняются, если интересующий нас элемент находится в соединении с другими. Это можно объяснить лишь тем, что характеристические спектры возникают при переходах электронов во внутренних частях атома, частях, имеющих сходное строение.
3. Характеристические спектры состоят из нескольких серий: К, L , М, ... Каждая серия - из небольшого числа линий: К а , К β , К γ , ... L a , L β , L y , ... и т. д. в порядке убывания длины волны λ .
Анализ характеристических спектров привел к пониманию, что атомам присуща система рентгеновских термов К, L , М, ... (рис.13.6). На этом же рисунке показана схема возникновения характеристических спектров. Возбуждение атома возникает при удалении одного из внутренних электронов (под действием электронов или фотонов достаточно большой энергии). Если вырывается один из двух электронов K -уровня (n = 1), то освободившееся место может быть занято электроном из какого-либо более высокого уровня: L , M , N , и т. д. В результате возникает K -серия. Подобным же образом возникают и другие серии: L , М, ...
СерияК, как видно из рис.13.6, непременно сопровождается появлением и остальных серий, поскольку при испускании ее линий освобождаются электроны на уровнях L , М и др., которые в свою очередь будут заполняться электронами с более высоких уровней.
Молекулярные спектры. Виды связи в молекулах,энергия молекулы, энергия колебательного и вращательного движения.
Молекулярные спектры.
Молекулярные спектры - оптические спектры испускания и поглощения, а также комбинационного рассеяния света (См. Комбинационное рассеяние света ), принадлежащие свободным или слабо связанным между собой Молекула м. М. с. имеют сложную структуру. Типичные М. с. - полосатые, они наблюдаются в испускании и поглощении и в комбинационном рассеянии в виде совокупности более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областях, распадающихся при достаточной разрешающей силе применяемых спектральных приборов на совокупность тесно расположенных линий. Конкретная структура М. с. различна для различных молекул и, вообще говоря, усложняется с увеличением числа атомов в молекуле. Для весьма сложных молекул видимые и ультрафиолетовые спектры состоят из немногих широких сплошных полос; спектры таких молекул сходны между собой.
Из решения уравнения Шредингера для молекул водорода при указанных выше предположениях получается зависимость собственных значений энергии от расстояния R между ядрами, т. е. Е = E (R ).
Энергия молекулы
где Е эл - энергия движения электронов относительно ядер; Е кол - энергия колебаний ядер (в результате которых периодически изменяется относительное положение ядер); Е вращ - энергия вращения ядер (в результате которых периодически изменяется ориентация молекулы в пространстве).
В формуле (13.45) не учтены энергия поступательного движения центра масс молекул и энергия ядер атомов в молекуле. Первая из них не квантуется, поэтому ее изменения не могут привести к возникновению молекулярного спектра, а вторую можно не учитывать, если не рассматривать сверхтонкую структуру спектральных линий.
Доказано, что Е эл >> Е кол >> Е вращ, при этом Е эл ≈ 1 – 10 эВ. Каждая из входящих в выражение (13.45) энергий квантуется и им соответствует набор дискретных уровней энергии. При переходе из одного энергетического состояния в другое поглощается или испускается энергия ΔЕ = hν . Из теории и эксперимента следует, что расстояние между вращательными уровнями энергии Δ Е вращ гораздо меньше расстояния между колебательными уровнями Δ Е кол, которое, в свою очередь, меньше расстояния между электронными уровнями Δ Е эл.
Строение молекул и свойства их энергетических уровней проявляются в молекулярных спектрах - спектрах излучения (поглощения), возникающих при квантовых переходах между уровнями энергии молекул. Спектр излучения молекулы определяется структурой ее энергетических уровней и соответствующими правилами отбора (например, изменение квантовых чисел, соответствующих как колебательному, так и вращательному движению, должно быть равно ± 1). При разных типах переходов между уровнями возникают различные типы молекулярных спектров. Частоты спектральных линий, испускаемых молекулами, могут соответствовать переходам с одного электронною уровня на другой (электронные спектры ) или с одного колебательного (вращательного) уровня на другой [колебательные (вращательные) спектры ].
Кроме того, возможны и переходы с одними значениями Е кол и Е вращ на уровни, имеющие другие значения всех трех компонентов, в результате чего возникают электронно-колебательные и колебательно-вращательные спектры . Поэтому спектр молекул довольно сложный.
Типичные молекулярные спектры - полосатые , представляют собой совокупность более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях. Применяя спектральные приборы высокой разрешающей способности, можно видеть, что полосы представляют собой настолько тесно расположенные линии, что они с трудом разрешаются.
Структура молекулярных спектров различна для разных молекул и с увеличением числа атомов в молекуле усложняется (наблюдаются лишь сплошные широкие полосы). Колебательными и вращательными спектрами обладают только многоатомные молекулы, а двухатомные их не имеют. Это объясняется тем, что двухатомные молекулы не имеют дипольных моментов (при колебательных и вращательных переходах отсутствует изменение дипольного момента, что является необходимым условием отличия от нуля вероятности перехода).
Молекулярные спектры применяются для исследования строения и свойств молекул, используются в молекулярном спектральном анализе, лазерной спектроскопии, квантовой электронике и т.д.
ВИДЫ СВЯЗЕЙ В МОЛЕКУЛАХ Химическая связь - явление взаимодействия атомов , обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшениемполной энергии системы. Ионная связь - прочная химическая связь , образующаяся между атомами с большой разностью электроотрицательностей , при которой общаяэлектронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью.Это притяжение ионов как разноименно заряженных тел. Электроотрицательность (χ) - фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика способности атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары . Ковалентная связь (атомная связь, гомеополярная связь) - химическая связь , образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков . Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой . Водородная связь - связь между электроотрицательным атомом и атомом водорода H , связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. Металлическая связь - химическая связь , обусловленная наличием относительно свободных электронов . Характерна как для чистых металлов , так и их сплавов иинтерметаллических соединений .
Комбинационное рассеивание света.
это рассеяние света веществом, сопровождающееся заметным изменением частоты рассеиваемого света. Если источник испускает линейчатый спектр, то при К. р. с. в спектре рассеянного света обнаруживаются дополнительные линии, число и расположение которых тесно связаны с молекулярным строением вещества. При К. р. с. преобразование первичного светового потока сопровождается обычно переходом рассеивающих молекул на другие колебательные и вращательные уровни, причём частоты новых линий в спектре рассеяния являются комбинациями частоты падающего света и частот колебательных и вращательных переходов рассеивающих молекул - отсюда и назв. «К. р. с.».
Для наблюдения спектров К. р. с. необходимо сконцентрировать интенсивный пучок света на изучаемом объекте. В качестве источника возбуждающего света чаще всего применяют ртутную лампу, а с 60-х гг. - лазерный луч. Рассеянный свет фокусируется и попадает в спектрограф, где спектр К. р. с. регистрируется фотографическим или фотоэлектрическим методами.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ
- спектры поглощения,
испускания или рассеяния, возникающие при квантовых переходах
молекул
из одного энергетич. состояния в другое. M. с. определяются составом молекулы,
её структурой, характером хим. связи и взаимодействием с внеш. полями (и, следовательно,
с окружающими её атомами и молекулами). Наиб. характерными получаются M. с.
разреженных молекулярных газов, когда отсутствует уширение спектральных линий
давлением: такой спектр состоит из узких линий с доп-леровской шириной.
Рис. 1. Схема уровней энергии двухатомной молекулы: a и б -электронные уровни; u " и u "" - колебательные квантовые числа; J" и J "" - вращательные квантовые числа .
В соответствии с тремя системами уровней энергии
в молекуле - электронной, колебательной и вращательной (рис. 1), M. с. состоят
из совокупности электронных, колебат. и вращат. спектров и лежат в широком диапазоне
эл--магн. волн - от радиочастот до рентг. области спектра. Частоты переходов
между вращат. уровнями энергии обычно попадают в микроволновую область (в шкале
волновых чисел 0,03-30 см -1), частоты
переходов между колебат. уровнями -в ИК-обла-сть (400-10 000 см -1),
а частоты переходов между электронными уровнями - в видимую
и УФ-области спектра. Это разделение условное, т. к. часто вращат. переходы
попадают и в ИК-область, колебат. переходы - в видимую область, а электронные
переходы - в ИК-область. Обычно электронные переходы сопровождаются и изменением
колебат. энергии молекулы, а при колебат. переходах изменяется и вращат. энергия.
Поэтому чаще всего электронный спектр представляет собой системы электронно-колебат.
полос, причём при высоком разрешении спектральной аппаратуры обнаруживается
их вращат. структура. Интенсивность линий и полос в M. с. определяется вероятностью
соответствующего квантового перехода. Наиб. интенсивные линии соответствуют
переходу, разрешённому отбора правилами
.К M. с. относят также оже-спектры
и рентг. спектры молекул (в статье не рассматриваются; см. Оже-эффект, Оже-спектроскопия,
Рентгеновские спектры, Рентгеновская спектроскопия)
.
Электронные спектры
. Чисто электронные
M. с. возникают при изменении электронной энергии молекул, если при этом не
меняются колебат. и вращат. энергии. Электронные M. с. наблюдаются как в поглощении
(спектры поглощения), так и в испускании (спектры люминесценции). При электронных
переходах обычно изменяется электрич. дипольный момент молекулы. Эле-ктрич.
дипольный переход между электронными состояниями молекулы типа симметрии Г"
и Г""
(см. Симметрия молекул
)разрешён, если прямое произведение
Г"
Г""
содержит тип симметрии, по крайней мере одной из компонент вектора
дипольного момента d
. B спектрах поглощения обычно наблюдают переходы
из основного (полносимметричного) электронного состояния в возбуждённые электронные
состояния. Очевидно, что для осуществления такого перехода типы симметрии возбуждённого
состояния и дипольного момента должны совпадать. T. к. электрич. дипольный момент
не зависит от спина, то при электронном переходе спин должен сохраняться, т.
е. разрешены только переходы между состояниями с одинаковой мультиплетностью
(интер-комбинац. запрет). Это правило, однако, нарушается
для молекул с сильным спин-орбитальным взаимодействием,
что приводит к интеркомбинационным квантовым переходам
. В результате
таких переходов возникают, напр., спектры фосфоресценции, к-рые соответствуют
переходам из возбуждённого триплет-ного состояния в осн. синглетное состояние.
Молекулы в разл. электронных состояниях часто
имеют разную геом. симметрию. В таких случаях условие Г"
Г""
Г d
должно выполняться для точечной группы низкосимметричной
конфигурации. Однако при использовании перестановочно-инверсионной (ПИ) группы
такая проблема не возникает, т. к. ПИ группа для всех состояний может быть выбрана
одинаковой.
Для линейных молекул симметрии С ху
тип симметрии дипольного момента Г d
= S + (d z
)-P(d x ,
d y)
, поэтому для них разрешены только переходы S +
- S + ,
S - - S - , П - П и т. д. с
дипольным моментом перехода, направленным по оси молекулы, и переходы S +
- П, П - D и т. д. с моментом перехода, направленным перпендикулярно
оси молекулы (обозначения состояний см. в ст. Молекула
).
Вероятность В
электрич. дипольного перехода
с электронного уровня т
на электронный уровень п
, просуммированная
по всем колебательно-вращат. уровням электронного уровня т
, определяется
ф-лой:
матричный элемент дипольного момента для перехода
n - m
, y еп
и y em
- волновые
ф-ции электронов. Ин-тогральный коэф. поглощения, к-рый можно измерить экспериментально,
определяется выражением
где N m
- число молекул в нач.
состоянии m
, v nm
- частота перехода т
п
. Часто электронные переходы характеризуются силой осциллятора
где е
и т е
- заряд и
масса электрона. Для интенсивных переходов f nm ~
1. Из
(1) и (4) определяется ср. время жизни возбуждённого состояния:
Эти ф-лы справедливы также и для колебат. и вращат.
переходов (в этом случае следует переопределить матричные элементы дипольного
момента). Для разрешённых электронных переходов обычно коэф. поглощения на неск.
порядков больше, чем для колебат. и вращат. переходов. Иногда коэф. поглощения
достигает величины ~10 3 -10 4 см -1 атм -1 ,
т. е. электронные полосы наблюдаются при очень низких давлениях (~10 -3 -
10 -4 мм рт. ст.) и малых толщинах (~10-100 см) слоя вещества.
Колебательные спектры
наблюдаются при
изменении колебат. энергии (электронная и вращат. энергии при этом не должны
меняться). Нормальные колебания молекул обычно представляют как набор невзаимодействующих
гармонич. осцилляторов. Если ограничиться только линейными членами разложения
дипольного момента d
(в случае спектров поглощения) или
поляризуемости a (в случае комбинац. рассеяния) по нормальным координатам
Q
k
, то разрешёнными колебат. переходами считаются
только переходы с изменением одного из квантовых чисел u k
на единицу. Таким переходам соответствуют осн. колебат. полосы, они в колебат.
спектрах наиб. интенсивны.
Осн. колебат. полосы линейной многоатомной молекулы,
соответствующие переходам из осн. колебат. состояния, могут быть двух типов:
параллельные (||) полосы, соответствующие переходам с дипольным моментом перехода,
направленным по оси молекулы, и перпендикулярные (1) полосы, отвечающие переходам
с дипольным моментом перехода, перпендикулярным оси молекулы. Параллельная полоса
состоит только из R
- и Р
-ветвей, а в перпендикулярной полосе раз-
решена также и Q
-ветвь (рис. 2). Спектр
осн. полос поглощения молекулы типа симметричного волчка также состоит из ||
и |
полос, но вращат. структура этих полос (см. ниже) более сложная;
Q
-ветвь в || полосе также не разрешена. Разрешённые колебат. полосы
обозначают v
k
. Интенсивность полосы v
k
зависит от квадрата производной (дd/дQ
к
) 2 или
(д
a/дQ
k
) 2 .
Если полоса соответствует переходу из возбуждённого состояния на более высокое,
то её наз. горячей.
Рис. 2. ИК-полоса поглощения v
4
молекулы SF 6
, полученная
на Фурье-спектрометре с разрешением 0,04 см -1 ; нише показана тонкая
структура
линии Р
(39), измеренная
на диодном лазерном
спектрометре
с разрешением 10 -4 см -1
.
При учёте энгармонизма колебаний и нелинейных
членов в разложениях d
и a по Q
k
становятся
вероятными и переходы, запрещённые правилом отбора по u k
.
Переходы с изменением одного из чисел u k
на 2, 3, 4 и т. д. наз. обертонными (Du k
=2 - первый обертон, Du k
=3 - второй обертон и т. д.). Если при переходе изменяются два или более из
чисел u k
, то такой переход наз. комбинационным или суммарным (если все u к
увеличиваются) и разностным (если нек-рые из u k
уменьшаются). Обертонные полосы обозначаются 2v
k
, 3v
k
,
..., суммарные полосы v
k
+ v l
, 2v
k
+ v l
и т. д., а разностные полосы v
k
- v l
, 2v
k
- e l
и т. д. Интенсивности полос 2u k
,
v
k
+ v l
и v
k
- v l
зависят от первых и вторых производных d
по Q
k
(или a по Q
k
) и кубич. коэффициентов ангармонизма
потенц. энергии; интенсивности более высоких переходов зависят от коэф. более
высоких степеней разложения d
(или a)
и потенц. энергии по Q
k
.
Для молекул, не имеющих элементов симметрии,
разрешены все колебат. переходы как при поглощении энергии возбуждения, так
и при комбинац. рассеянии света. Для молекул, имеющих центр инверсии (напр.,
CO 2 , C 2 H 4 и др.), переходы, разрешённые в поглощении,
запрещены для комбинац. рассеяния, и наоборот (альтернативный запрет). Переход
между колебат. уровнями энергии типов симметрии Г 1 и Г 2
разрешён в поглощении, если прямое произведение Г 1
Г 2 содержит тип симметрии дипольного момента, и разрешён в комбинац.
рассеянии, если произведение Г 1
Г 2 содержит тип симметрии тензора поляризуемости. Это правило отбора
приближённое, т. к. оно не учитывает взаимодействия колебат. движения с электронным
и вращат. движениями. Учёт этих взаимодействий приводит к возникновению полос,
запрещённых согласно чисто колебат. правилам отбора.
Изучение колебат. M. с. позволяет установить гар-монич. частоты колебаний, константы ангармонизма. По колебат. спектрам проводится конформац. анализ
Спектром называется последовательность квантов энергии электромагнитного излучения, поглощенных, выделившихся, рассеянных или отраженных веществом при переходах атомов и молекул из одних энергетических состояний в другие.
В зависимости от характера взаимодействия света с веществом спектры можно разделить на спектры поглощения (абсорбционные); испускания (эмиссионные); рассеяния и отражения.
По изучаемым объектам оптическая спектроскопия, т.е. спектроскопия в области длин волн 10 -3 ÷10 -8 м подразделяется на атомную и молекулярную.
Атомный спектр представляет собой последовательность линий, положение которых определяется энергией перехода электронов с одних уровней на другие.
Энергию атома можно представить как сумму кинетической энергии поступательного движения и электронной энергии :
где - частота, - длина волны, - волновое число, - скорость света, - постоянная Планка.
Так как энергия электрона в атоме обратно пропорциональна квадрату главного квантового числа , то для линии в атомном спектре можно записать уравнение:
 .
| (4.12) |
Здесь 
- энергии электрона на более высоком и более низком уровнях; - постоянная Ридберга; 
- спектральные термы, выраженные в единицах измерения волновых чисел (м -1 , см -1).
Все линии атомного спектра сходятся в коротковолновой области к пределу, определенному энергией ионизации атома, после которого идет сплошной спектр.
Энергию молекулы в первом приближении можно рассмотреть как сумму поступательной, вращательной, колебательной и электронной энергий:
 | (4.15) |
Для большинства молекул такое условие выполняется. Например, для Н 2 при 291К отдельные составляющие полной энергии различаются на порядок и более:
309,5 кДж/моль,
=25,9 кДж/моль,
2,5 кДж/моль,
=3,8 кДж/моль.
Значения энергии квантов в различных областях спектра сопоставлены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 - Энергия поглощенных квантов различных областей оптического спектра молекул
Понятия «колебания ядер» и «вращение молекул» являются условными. В действительности такие виды движения лишь очень приближенно передают представления о распределении ядер в пространстве, которое носит такой же вероятностный характер, что и распределение электронов.
Схематичная система уровней энергии в случае двухатомной молекулы представлена на рисунке 4.1.
Переходы между вращательными уровнями энергии приводит к появлению вращательных спектров в дальней ИК и микроволновой областях. Переходы между колебательными уровнями в пределах одного электронного уровня дают колебательно-вращательные спектры в ближней ИК области, поскольку изменение колебательного квантового числа неминуемо влечет за собой изменение и вращательного квантового числа . Наконец, переходы между электронными уровнями вызывают появление в видимой и УФ областях электронно-колебательно-вращательных спектров.
В общем случае число переходов может быть очень велико, но на самом деле в спектрах проявляются далеко не все. Количество переходов ограничено правилами отбора .
Молекулярные спектры дают богатую информацию. Они могут быть использованы:
Для идентификации веществ в качественном анализе, т.к. каждое вещество имеет свой собственный только ему присущий спектр;
Для количественного анализа;
Для структурно-группового анализа, поскольку определенные группы, такие, например, как >С=О, _ NH 2 , _ OH и др. дают в спектрах характеристические полосы;
Для определения энергетических состояний молекул и молекулярных характеристик (межъядерное расстояние, момент инерции, собственные частоты колебаний, энергии диссоциации); комплексное изучение молекулярных спектров позволяет сделать выводы о пространственном строении молекул;
В кинетических исследованиях, в том числе для изучения очень быстрых реакций.
- энергии электронных уровней;
Энергии колебательных уровней;
Энергии вращательныхуровней
Рисунок 4.1 – Схематичное расположение уровней энергии двухатомной молекулы
Закон Бугера-Ламберта-Бера
В основе количественного молекулярного анализа с использованием молекулярной спектроскопии лежит закон Бугера-Ламберта-Бера , связывающий интенсивность света падающего и прошедшего с концентрацией и толщиной поглощающего слоя (рисунок 4.2):
или с коэффициентом пропорциональности:
Результат интегрирования:
 | (4.19) |
 .
| (4.20) |
При уменьшении интенсивности падающего света на порядок
 .
| (4.21) |
Если =1 моль/л, то , т.е. коэффициент поглощения равен обратной толщине слоя, в котором при концентрации, равной 1, интенсивность падающего света уменьшается на порядок.
Коэффициенты поглощения и зависят от длины волны. Вид этой зависимости является своеобразным «отпечатком пальцев» молекул, что используется в качественном анализе для идентификации вещества. Эта зависимость характерна и индивидуальна для того или иного вещества и отражает характеристические группы и связи, входящие в молекулу.
Оптическая плотность D
выражаемое в %
4.2.3 Энергия вращения двухатомной молекулы в приближении жесткого ротатора. Вращательные спектры молекул и их применение для определения молекулярных характеристик
Появление вращательных спектров связано с тем, что вращательная энергия молекулы квантуется, т.е.
| 0 |
| а |
Поскольку точкаO является центром тяжести молекулы, то:
Введение обозначения приведенной массы :
 | (4.34) |
приводит к уравнению
 .
| (4.35) |
Таким образом, двухатомную молекулу (рисунок 4.7а ), вращающуюся вокруг оси или , проходящей через центр тяжести, можно упрощенно рассматривать как частицу с массой , описывающую круг с радиусом вокруг точкиO (рисунок 4.7б ).
Вращение молекулы вокруг оси дает момент инерции, практически равный нулю, поскольку радиусы атомов значительно меньше межъядерного расстояния. Вращениеотносительно осей или , взаимно перпендикулярных линии связи молекулы, приводит к равным по величине моментам инерции:
где - вращательное квантовое число, принимающее только целочисленные значения
0, 1, 2…. В соответствии с правилом отбора для вращательного спектра двухатомной молекулы изменение вращательного квантового числа при поглощении кванта энергии возможно лишь на единицу, т.е.
преобразует уравнение (4.37) в вид:
20 
12
6
2 |
волновое число линии во вращательном спектре, соответствующей поглощению кванта при переходе с j уровня энергии на уровень j +1, можно вычислить по уравнению:
Таким образом, вращательный спектр в приближении модели жесткого ротатора представляет собой систему линий, находящихся на одном и том же расстоянии друг от друга (рисунок 4.5б). Примеры вращательных спектров двухатомных молекул, оцененных в моделижесткий ротатор, представлены на рисунке 4.6.
| а б |
Рисунок 4.6 – Вращательныe спектры HF (а ) иCO (б )
Для молекул галогеноводородов этот спектр смещен в дальнюю ИК область спектра, для более тяжелых молекул – в микроволновую.
Исходя из полученных закономерностей возникновения вращательного спектра двухатомной молекулы, на практике сперва определяют расстояние между соседними линиями в спектре , из которого далее находят , и по уравнениям:
 ,
| (4.45) |
где - постоянная центробежного искажения
, связана с вращательной постоянной примерным соотношением 
. Поправку следует учитывать лишь при очень больших j
.
Для многоатомных молекул в общем случае возможно существование трех разных моментов инерции 
. При наличии в молекуле элементов симметрии моменты инерции могут совпадать или даже быть равными нулю. Например, для линейных многоатомных молекул
(CO 2 , OCS, HCN и др.)
где 
- положение линии, отвечающей вращательному переходу 
в изотопозамещенной молекуле.
Для вычисления величины изотопного сдвига линии необходимо последовательно рассчитать приведенную массу изотопозамещенной молекулы с учетом изменения атомной массы изотопа, момент инерции , вращательную постоянную и положение линии в спектре молекулы по уравнениям (4.34), (4.35), (4.39) и (4.43), соответственно, или оценить отношение волновых чисел линий, отвечающих одному и тому же переходу в изотопозамещенной и неизотопозамещенной молекулах, и далее определить направление и величину изотопного сдвига по уравнению (4.50). Если межъядерное расстояние приближенно считать постоянным 
, то отношение волновых чисел соответствует обратному отношению приведенных масс:
где - общее число частиц, - число частиц наi - том уровне энергии при температуре T , k – постоянная Больцмана, - статистический ве сили степень вырождения i -того уровня энергии, характеризует вероятность нахождения частиц на данном уровне.
Для вращательного состояния заселенность уровня характеризуют обычно отношением числа частицнаj - том уровне энергии к числу частиц на нулевом уровне :
 ,
| (4.53) |
где 
- статистический вес j
-того вращательного уровня энергии, отвечает числу проекций количества движения вращающейся молекулы на ее ось – линию связи молекулы, 
, энергия нулевого вращательного уровня 
. Функция проходит через максимум при увеличении j
, как иллюстрирует рисунок 4.7 на примере молекулы CO.
Экстремум функции соответствует уровню с максимальной относительной заселенностью, значение квантового числа которого можно вычислить по уравнению, полученному после определения производной функции в экстремуме:
 .
| (4.54) |
Рисунок 4.7 – Относительная заселенность вращательных уровней энергии
молекулыCO при температурах 298 и 1000 К
Пример.
Во вращательном спектреHI определено расстояние между соседними линиями 
см -1
. Рассчитайте вращательную постоянную, момент инерции и равновесное межъядерное расстояние в молекуле.
Решение
В приближении модели жесткого ротатора в соответствии с уравнением (4.45) определяем вращательную постоянную:
см -1
.
Момент инерции молекулы вычисляем из значения вращательной постоянной по уравнению (4.46):
кг
. м 2
.
Для определения равновесного межъядерного расстоянияиспользуем уравнение (4.47), учитывая, что массы ядер водорода 
и йода 
выражены в кг:
Пример. В дальней ИК-области спектра 1 H 35 Cl обнаружены линии, волновые числа которых:
Определите усредненные значения момента инерции и межъядерного расстояния молекулы. Отнесите наблюдаемые линии в спектре к вращательным переходам.
Решение
Согласно модели жесткого ротатора разность волновых чисел соседних линий вращательного спектра постоянна и равна 2 . Определим вращательную постоянную по среднему значению расстояний между соседними линиями в спектре:
см -1 ,
см -1
Находим момент инерции молекулы (уравнение (4.46)):
Рассчитываем равновесное межъядерное расстояние (уравнение (4.47)), принимая во внимание, что массы ядер водорода 
и хлора 
(выражены в кг):
По уравнению (4.43) оцениваем положение линий во вращательном спектре 1 H 35 Cl:
Соотносим рассчитанные значения волновых чисел линий с экспериментальными. Получается, что наблюдаемые во вращательном спектре 1 H 35 Cl линии соответствуют переходам:
| N линии | |||||||
| , см -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 |
Пример.
Определите величину и направление изотопного сдвига линии поглощения, отвечающей переходу с 
энергетический уровень, во вращательном спектре молекулы 1 H 35 Cl при замещении атома хлора на изотоп 37 Cl. Межъядерное расстояние в молекулах 1 H 35 Clи 1 H 37 Clсчитать одинаковым.
Решение
Для определения величины изотопного сдвига линии, отвечающей переходу , рассчитываем приведенную массу молекулы 1 H 37 Cl с учетом изменения атомной массы 37 Cl:
далее вычисляем момент инерции , вращательную постоянную и положение линии 
в спектре молекулы 1 H 37 Clи величину изотопного сдвига по уравнениям (4.35), (4.39), (4.43) и (4.50), соответственно.
Иначеизотопный сдвиг можно оценитьиз отношения волновых чисел линий, отвечающих одному и тому же переходу в молекулах, (межъядерное расстояние считаем постоянным) и далее положение линии в спектре, используя уравнение (4.51).
Для молекул 1 H 35 Cl и 1 H 37 Cl отношение волновых чисел заданного перехода равно:
Для определения волнового числа линии изотопозамещенной молекулы подставляем найденное в предыдущем примере значение волнового числа перехода j → j +1 (3→4):
Делаем вывод: изотопный сдвиг в низкочастотную или длинноволновую область составляет
85.384-83.049=2.335 см -1 .
Пример. Рассчитайте волновое число и длину волны наиболее интенсивной спектральной линии вращательного спектра молекулы 1 H 35 Cl. Соотнесите линию с соответствующим вращательным переходом.
Решение
Наиболее интенсивная линия во вращательном спектре молекулы связана с максимальной относительной заселенностью вращательного уровня энергии.
Подстановка найденного в предыдущем примере значения вращательной постоянной для 1 H 35 Cl (
см -1) в уравнение (4.54) позволяет вычислить номер этого уровня энергии:
.
Волновое число вращательного перехода с этого уровня рассчитываем по уравнению (4.43):
Длину волны перехода находим из преобразованного относительно уравнения (4.11):
4.2.4 Многовариантное задание № 11 «Вращательные спектры двухатомных молекул»
1. Напишите квантово-механическое уравнение для расчета энергии вращательного движения двухатомной молекулы как жесткого ротатора.
2. Выведите уравнение для расчета изменения энергии вращения двухатомной молекулы как жесткого ротатора при переходе ее на соседний, более высокий квантовый уровень 
.
3. Выведите уравнение зависимости волнового числа вращательных линий в спектре поглощения двухатомной молекулы от вращательного квантового числа.
4. Выведите уравнение для расчета разности волновых чисел соседних линий во вращательном спектре поглощения двухатомной молекулы.
5. Рассчитайте вращательную постоянную (в см -1 и м -1) двухатомной молекулы A по волновым числам двух соседних линий в длинноволновой инфракрасной области вращательного спектра поглощения молекулы (см. таблицу 4.3) .
6. Определите энергию вращения молекулы A на первых пяти квантовых вращательных уровнях (Дж).
7. Вычертите схематически энергетические уровни вращательного движения двухатомной молекулы как жесткого ротатора.
8. Нанесите пунктиром на эту схему вращательные квантовые уровни молекулы, не являющейся жестким ротатором.
9. Выведите уравнение для вычисления равновесного межъядерного расстояния на основании разности волновых чисел соседних линий во вращательном спектре поглощения.
10. Определите момент инерции (кг. м 2) двухатомной молекулы A .
11. Рассчитайте приведенную массу (кг) молекулыA .
12. Вычислите равновесное межъядерное расстояние () молекулы A . Сопоставьте полученное значение со справочными данными.
13. Отнесите наблюдаемые линии во вращательном спектре молекулы A к вращательным переходам.
14. Рассчитайте волновое число спектральной линии, отвечающей вращательному переходу с уровня j для молекулы A (см. таблицу 4.3).
15. Вычислите приведенную массу (кг) изотопозамещенной молекулы B .
16. Рассчитайте волновое число спектральной линии, связанной с вращательным переходомс уровня j для молекулы B (см. таблицу 4.3). Межъядерные расстояния в молекулах A и B считать равными.
17. Определите величину и направление изотопного сдвига во вращательных спектрах молекул A и B для спектральной линии, отвечающей переходус вращательного уровня j .
18. Объясните причину немонотонного изменения интенсивности линийпоглощенияпо мере увеличения энергии вращения молекулы
19. Определите квантовое число вращательного уровня, отвечающего наибольшей относительной заселенности. Рассчитайте длины волн наиболее интенсивных спектральных линий вращательных спектров молекул A и B .