Енергія і спектри молекул

Повна енергія молекули складається з кількох частин:

1) – енергії руху електронів в атомах молекули;

2) – енергії коливального руху ядер атомів, які входять до складу молекули, навколо їхніх положень рівноваги;

3) – енергії обертального руху молекул як цілого.

Повна енергія молекули:

.

Коливальна енергія визначається за формулою:

,

де – коливальне квантове число.

Обертальна енергія

,

де J = 0, 1, 2, 3,... – обертальне квантове число; I – момент інерції молекули відносно осі, яка проходить через її центр мас.

Тоді повну енергію молекули можна записати так:

.

За правилом частот Бора, частота кванта, що його випромінює молекула під час зміни свого енергетичного стану, така:

,

де – зміна відповідної частини енергії молекули.

Можливі тільки такі зміни коливальної і обертальної енергій молекули, при яких коливальне і обертальне квантові числа змінюються на одиницю, тобто для цих квантових чисел має виконуватися правило добору:

;

.

Як показують експерименти та теоретичні дослідження, складові повної енергії молекули задовольняють такі нерівності:

.

Саме цим пояснюється існування частот молекулярних спектрів у різних діапазонах електромагнітних хвиль.

Як відомо, спектри випромінювання і поглинання оборотні. Зручніше вивчати спектри поглинання. Тому розглянемо утворення саме цих спектрів молекули. Доти, доки енергія кванта, який падає на речовину, не дорівнюватиме найменшій можливій різниці енергій між двома найближчими енергетичними рівнями молекули, поглинання світла не відбувається і лінії спектра поглинання не утворюються. Поглинання починається при довжинах хвиль приблизно 0,1 – 1 мм, тобто в далекій інфрачервоній частині спектра, і відповідає зміні обертальної енергії молекули. Утворюється спектральна лінія обертального спектра. Поглинання світла в інфрачервоній області з довжиною хвилі від 1 до 10 мкм викликає переходи між коливальними енергетичними рівнями в молекулі, внаслідок чого утворюється коливальний спектр молекули. Проте виникають і обертальні переходи, тобто збуджуються коливально-обертальні спектри. Коливально-обертальний спектр складається з групи дуже близьких ліній, які відповідають різним обертальним переходам. Якщо спектральний прилад має низьку роздільну здатність, ці лінії зливаються в одну смугу, яка відповідає певному коливальному переходу.

У видимій та ультрафіолетовій областях спектра енергії квантів достатньо для того, щоб викликати переходи молекул між різними електронними енергетичними рівнями. Проте водночас збуджуються і коливальні переходи, тобто утворюються електронно-коливальні спектри молекули. Електронно-коливальний спектр у видимій і близькій до неї областях являє собою систему з кількох груп смуг. Таким чином, усі спектри молекули мають вигляд смуг, які складаються, у свою чергу, з окремих ліній. Тому спектри молекули називають смугастими.

Отже, спектри випромінювання і поглинання поділяються на три групи:

1) суцільні, що їх утворюють нагріті тверді тіла;

2) лінійчаті, які утворюються атомами речовин, що перебувають у газоподібному стані;

3) смугасті, що утворюються молекулами газоподібних речовин.

Поиск по сайту: