Енергетичні рівні молекул. Спектри молекул - раздел Образование, ОДЕСА 2011 ...
Молекула – найменша частинка речовини, що складається з однакових або різних атомів, з’єднаних між собою хімічними зв’язками, і яка є носієм хімічних і фізичних властивостей цієї речо-вини.
Власні значення енергії, що може набувати молекула, є залежними від відстані між ядрами R, тобто E=E(R). Енергія, зумовлена електронною конфігурацією (електронна енергія) має при деякому значенні R мінімум (рис. 4.5). Зміна електронної конфігурації молекули приводить до зміни кривої залежності електронної енергії від відстані між ядрами R.
В основному зміна енергетичного стану молекули відбувається внаслідок зміни в електронній конфігурації, що утворює периферійну частину молекули.
При заданій електронній конфігурації, ядра молекули можуть коливатися і обертатися навколо загального центра мас (рис. 4.6). З цими видами руху зв’язані коливальна і обертальна енергії.
Введемо такі позначення:
– енергія, зумовлена електронною конфігурацією (електронна енергія); – енергія, що відповідає коливанням молекули (коливальна, або вібраційна енергія); – енергія, зв’язана з обертанням молекули (обертальна енергія).
В першому наближенні рух електронів, коливання і обертання молекули – можна вважати незалежними один від одного. Тому повну енергію молекули можна подати у вигляді
. (1.11)
Відношення
,
де m — маса електрона, М – величина порядку маси ядер атомів в молекулі, .
Тому
.
Доведено, що
, , .
За правилом Бора частота кванта, який випускає молекула при зміні її енергетичного стану, дорівнює
, (1.12)
де , , – зміни відповідних частин енергії молекули.
Оскільки кожний з доданків , , набуває ряду дискретних квантованих значень, то їх зміни також дають дискретні значення, тому спектр молекули складається з густо розміщених ліній, які утворюють смуги.
Енергію коливального руху описує вираз
, (1.13)
де – коливальне квантове число, яке визначає величину коливального енергетичного рівня; – власна частота коливань ядер атомів відносно положень їх рівноваги і
,
де – зведена маса двохатомної молекули, – маси атомів у молекулі, а – силова стала, яка характеризує квазіпружні сили, які виникають в молекулі при відхилені ядер від положення рівноваги.
Момент імпульсу молекули може набувати тільки дискретні значення:
, (.14)
де J – обертальне квантове число, яке визначає обертальний енергетичний рівень.
Отже, обертальна енергія молекули може мати лише квантові значення:
,
де – обертальна стала молекули.
Дослід і теорія показують, що відстані між електронними рівнями значно більші ніж відстані між коливальними рівнями , які в свою чергу значно більші, ніж відстані між обертальними рівнями . Схема енергетичних рівнів двоатомної молекули виглядає так, як показано на рис.4.7.
З кожним електронним енергетичним рівнем зв’язані коливальні рівні, з коливальним − обертальні рівні.
Будова молекул і властивості їх енергетичних рівнів проявляються в молекулярних спектрах – спектрах випромінювання (поглинання), що виникають при квантових переходах молекули на різні енергетичні рівні. Спектр випромінювання молекули визначається структурою її енергетичних рівнів і відповідними правилами відбору.
При різних типах переходів між рівнями виникають різні типи молекулярних спектрів. Якщо спостерігати спектр випромінювання–поглинання в тому діапазоні, який відповідає частоті , то з’являтимуться тільки переходи між обертальними рівнями. Особливо ефективним інструментом дослідження в далекій інфрачервоній області є спектр поглинання.
Якщо довжина хвилі пучка променів настільки велика, що енергії фотонів не вистачає для переведення молекули з одного обертального рівня на інший, то поглинання не буде. Поступове збільшення частоти падаючих променів приведе до того, що окремі фотони будуть поглинатися молекулами, які переходитимуть при тому на що раз вищі обертальні рівні. В цьому випадку виникає суто обертальний спектр поглинання. Він лежить в області мікрохвиль або, інакше, в діапазоні далекого інфрачервоного спектра.
Коливально – обертальний спектр лежить в інфрачервоній області . Переходові між заданою парою коливальних рівнів відповідає велика сукупність комбінацій різних обертальних станів, які дають багато дуже близько розташованих ліній. Так виникає одна смуга. Лінії в смузі розташовані симетрично відносно ліній і знаходяться на відстані одна від одної на . Лише в середині смуги відстань в два рази більша, оскільки лінії з частотою не виникає, тому що вона відповідає „забороненому” переходу . Різним парам коливальних рівнів відповідають різні смуги, які у своїй сукупності утворюють коливально–обертальний спектр, що має вигляд групи смуг.
Продовжимо далі збільшувати частоту променів. Досягаючи видимої та ультрафіолетової частини спектра, отримуємо фотони, енергія яких є достатньою для збудження не тільки коливальних та обертальних процесів, але й електронних рівнів. З’являються електронно–коливально–обертальні переходи, при яких змінюються всі три види енергії молекули. Відповідний спектр називають електронно–коливально–обертальним або просто електронним. Переходові між заданою парою електронних рівнів відповідає цілий коливально–обертальний спектр молекули, тобто певна група смуг. Перебираючи всі можливі комбінації електронних рівнів, одержимо повний спектр молекули, тобто набір груп смуг.
Отже, в оптичному діапазоні молекулярні спектри є смугастими – вони складаються з величезного числа ліній, що утворюють ряд дуже густих скупчень смуг.
Структура молекулярних спектрів неоднакова для різних молекул і зі збільшенням числа станів у молекулі ускладнюється.
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ І І МЕЧНИКОВА... ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ... КАФЕДРА ТЕПЛОФІЗИКИ...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Енергетичні рівні молекул. Спектри молекул
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
ОДЕСА 2011
УДК
Методичні вказівки призначені для роботи під час виконання лабораторного практикуму по курсу загальної фізики з атомної та ядерною фізики для студентів
ПЕРЕДМОВА
Фізика – це наука, яка вивчає прості і разом з тим загальні властивості явищ природи, властивості і будову матерії, закони руху речовини та поля. Фізика тісно пов’язана з хімією – наукою про хімічн
Атом водню і його спектр випромінювання. Постулати Бора
Дослідження спектрів випромінювання розріджених газів показали, що кожному газу властивий певний лінійчатий спектр, який складається з окремих спектральних ліній. Найбільш вивченим є спектр атома в
Досліди Д. Франка і Г. Герца
Німецькі фізики Д. Франк і Г. Герц експериментально довели дискретність значень енергій атомів, вивчаючи методом затримуючого потенціалу зіткнення електронів з атомами газів. Схема їх установки нав
Співвідношення невизначеностей Гейзенберга
У класичній механіці всяка частинка рухається вздовж певної траєкторії так, що фіксовані її координати та імпульс. Мікрочастинки внаслідок наявності в них хвильових властивостей відрізняються від к
Оптичні квантові генератори
Слово „лазер” , або оптичний квантовий генератор (ОКГ), скорочено означає підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання. Лазери генерують випромінювання у видимій, інфрачервоній і ближні
Теоретичний відомості і опис установки
Як відомо спектр кожного газу складається з окремих спектральних ліній або груп (серій) близько розташованих ліній. Найбільш вивченим є спектр атома водню. Частоти випромінювання атома водню можна
Послідовність виконання роботи
ЗАВДАННЯ 1. Градуювання монохроматора
Для цього (див.рис.2):
1. Розмістити близько до вхідної щілини монохроматора 1 неонову лампочку 4, яка розміщена в захисн
Водню та сталої Планка
1. Розмістити на місці неонової лампочки прилад СПЕКТР – 1.
2. Увімкнути прилад СПЕКТР–1 в мережу 220 В і встановити перемикач на ньому в положення “H2”.
3. Пере
Контрольні запитання
1. Які серії випромінювання, крім серії Бальмера, ще має спектр випромінювання атом водню?
2. Який фізичний зміст мають квантові числа
Теоретичні відомості та опис установки
Різниця потенціалів, пройшовши яку електрон зазнає непружного зіткнення з атомом газу, внаслідок чого атом переходить основного стану в перший збуджений стан, називають резонансним потенціалом
Послідовність виконання роботи
1. Ознайомитися з приладами, які входять до складу лабораторної установки.
2. Встановити регулятор напруги на автотрансформаторі 5 в нульове положення і увімкнути його в мережу 220 В
Таблиця 1
№ п/п
Uc , В
Іа ,мкА
Ік, А
Ua, В
Резонансний
Контрольні запитання
1. В чому полягає фізичну суть пружних і непружних ударів електронів з атомами газів?
2. Який фізичний факт підтверджує дослід Франка і Герца?
3. Поясніть характер зміни вольт-амп
Теоретичні відомості та опис установки
В даній лабораторній роботі пропонується перевірити експериментально співвідношення невизначеностей Гейзенберга для координати і відповідної проекції імпульсу фотонів, зокрема:
Контрольні запитання
1. Як слід розуміти поняття корпускулярно-хвильовий дуалізм для мікрочастинок?
2. В чому полягає фізичний зміст співвідношення невизначеностей Гейзенберга?
3. Поясніть спів
Послідовність виконання роботи
ЗАВДАННЯ 1. Градуювання монохроматора
Для цього потрібно (див. рис. 2):
1. Розмістити на оптичній лаві перед вхідною щілиною монохроматора
Сталу Планка
Щоб охарактеризувати положення даної смуги або області поглинання в спектрі, вказують довжини хвиль початку і кінця поглинання, а також те місце в спектрі, де спостерігається найбільш сильне поглин
Теоретичні відомості та опис установки
Спектр поглинання парів йоду J2 складається із ряду серій електронно–коливальних смуг, які мають з однієї сторони різкий край (кант), що є згущенням ліній, з яких
Послідовність виконання роботи
ЗАВДАННЯ 1. Градуювання монохроматора
Для цього потрібно (див. рис. 3):
1. Розмістити на оптичну лаву перед вхідною щілиною монохроматора конденсорну лінзу 2,
Опис установки
Основною функцією спектрального приладу є просторове розділення на монохроматичні складові оптичного випромінювання і спрямування його на досліджуваний об’єкт. Таке завдання реалізується за допомог
Розчину на фіксованій довжині хвилі випромінювання
Для цього (див. рис. 2):
1. Налити в одну кювету розчинник (дистильовану воду), а в іншу – досліджуваний розчин.
2. Розмістити заповнені кювети в кюветний відсік фотометра: роз
Оптичної густини досліджуваного розчину
1. Встановити на фотометрі довжину хвилі l=350 нм і виміряти оптичну густину досліджуваного розчину за методикою, наведеній в завданні 2.
2. Провести подальші вимірювання опт
Прилади і обладнання
Фізичні властивості різних речовин визначаються взаємним розміщенням атомів чи молекул і характером взаємодії між ними. В залежності від зовнішніх умов (температури, тиску і т.д.) речовина може зна
Опис установки
Одержання електронограм здійснюється на електронографі, загальна електрооптична схема якого наведена на рис.9.
В електронній гарматі 1 електронографа внаслідок явища термоелектронної емісі
Послідовність виконання роботи
1. Визначити довжину хвилі де Бройля електронів за формулою (5). Значення прискорюючої напруги U, при якій одержувалась на електронографі електронограма, вказано на робочому місці.
Контрольні запитання
1. Що таке елементарна комірка кристалу і якими параметрами вона характеризується?
2. Які типи просторових систем (сингоній) ви знаєте?
3. Поясніть що таке індекси Міллера?
Основні характеристики атомних ядер
Атомне ядро складається з елементарних частинок – протонів і нейтронів. Протон (р) має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, масу спокою
Молекула – найменша частинка речовини, що складається з однакових або різних атомів, з’єднаних між собою хімічними зв’язками, і яка є носієм хімічних і фізичних властивостей цієї речо-вини.
– енергія, зумовлена електронною конфігурацією (електронна енергія); 
– енергія, що відповідає коливанням молекули (коливальна, або вібраційна енергія); 
– енергія, зв’язана з обертанням молекули (обертальна енергія).
. (1.11)
,
де m — маса електрона, М – величина порядку маси ядер атомів в молекулі, 
.
.
, 
, 
.
кванта, який випускає молекула при зміні її енергетичного стану, дорівнює
, (1.12)
, 
, 
– зміни відповідних частин енергії молекули.
, (1.13)
– коливальне квантове число, яке визначає величину коливального енергетичного рівня; 
– власна частота коливань ядер атомів відносно положень їх рівноваги і
,
– зведена маса двохатомної молекули, 
– маси атомів у молекулі, а 
– силова стала, яка характеризує квазіпружні сили, які виникають в молекулі при відхилені ядер від положення рівноваги.
молекули може набувати тільки дискретні значення:
, (.14)
,
– обертальна стала молекули.
значно більші ніж відстані між коливальними рівнями 
При різних типах переходів між рівнями виникають різні типи молекулярних спектрів. Якщо спостерігати спектр випромінювання–поглинання в тому діапазоні, який відповідає частоті 
, то з’являтимуться тільки переходи між обертальними рівнями. Особливо ефективним інструментом дослідження в далекій інфрачервоній області є спектр поглинання.
пучка променів настільки велика, що енергії фотонів 
не вистачає для переведення молекули з одного обертального рівня на інший, то поглинання не буде. Поступове збільшення частоти падаючих променів приведе до того, що окремі фотони будуть поглинатися молекулами, які переходитимуть при тому на що раз вищі обертальні рівні. В цьому випадку виникає суто обертальний спектр поглинання. Він лежить в області мікрохвиль 
або, інакше, в діапазоні далекого інфрачервоного спектра.
. Переходові між заданою парою коливальних рівнів відповідає велика сукупність комбінацій різних обертальних станів, які дають багато дуже близько розташованих ліній. Так виникає одна смуга. Лінії в смузі розташовані симетрично відносно 
ліній і знаходяться на відстані одна від одної на 
. Лише в середині смуги відстань в два рази більша, оскільки лінії з частотою 
. Різним парам коливальних рівнів відповідають різні смуги, які у своїй сукупності утворюють коливально–обертальний спектр, що має вигляд групи смуг.
Новости и инфо для студентов