Оптические атомные спектры. Молекулярные спектры. Электронные энергетические уровни атомов и молекул.

Спектры атомов и молекул.

Спектр это совокупность пространственно разделенных гармонических составляющих сложного колебательного процесса - в том числе световой волны. Спектры световых волн наиболее просто получить с помощью стеклянной призмы (И. Ньютон 1666.г). Спектр белого света непрерывный. Последовательность цветов в спектре от красного цвета (с наибольшей длиной волны 760 нМ) до фиолетового цвета (с наименьшей длиной волны 400 нМ). Такой свет излучают нагретые тела в твердом и жидком состоянии. За счет тепловой энергии электроны вещества переходят в возбужденное состояние. После этого практически мгновенно (10 –8 с) происходит обратный переход с испусканием фотона. Если переход из возбужденного состояния не инициируется внешним фактором, то он называется спонтанным. Непрерывность спектров нагретых тел (в твердом и жидком состоянии) обусловлена близостью энергетических уровней в данных агрегатных состояниях. В противоположность этому спектры нагретых газов, пары различных элементов (в том числе и тяжелых) в атомарном состоянии – не непрерывные, а дискретные. Это и связано именно с дискретностью энергетических уровней в атомах.

При переходе электронов с высших уровней (n > 1) возникает излучение с набором частот .

Эти частоты соответствуют ультрафиолетовой и даже рентгеновской области спектра и носят название серии Лаймана.

При переходе на второй снизу уровень возникает излучение с частотами:

, n=3,4,…. Это уже видимые линия спектра, они носят название - серии Бальмера.

Таким образом, зная частоты, на которых появляются максимумы спектра на его энергетических уровнях можно судить о веществе, которое дает спектр. Так как для различных веществ - соединений этот набор энергетических уровней специфичен, то по спектру можно идентифицировать вещество, что и составляет суть спектрального анализа. При этом в образце можно обнаружить малые доли вещества – вплоть до 10 г. Прибор позволяющий проводить спектральный анализ – называется спектрофотометр.

Виды спектров.

1. Спектры испускания (эмиссионные)

2. Спектры поглощения (абсорбционные)

Всё, что говорилось в в предыдущем пункте относится к спектрам испускания. Они представляют собой цветные линии на черном фоне. Чтобы получить эти спектры опытным путем надо пропустить свет от нагретого пара некоторого исследуемого вещества через призму или дифракционную решетку.

Спектры поглощения получаются, если белый свет пропустить через холодный газ – исследуемое вещество в атомарном состоянии. При этом поглотятся только те частоты, которые соответствуют разнице энергетических уровней электронов в атоме. Спектр поглощения это набор черных линий на фоне непрерывного спектра. Для любого элемента положение цветных линий спектра испускания соответствует положению черных линий спектра поглощения.

Инфракрасная спектроскопия.

Поглощение и излучение электромагнитных волн в инфракрасной (ИК) области обусловлено переходами электронов между колебательными уровнями энергии для различных групп атомов в сложных молекулах. ИК – спектроскопия соответствует, поэтому не атомарным, а молекулярным спектрам. Такие спектры имеют более сложный вид – это совокупность полос, внутри которых можно различить более тонкие структуры. Такие спектры называются не линейчатыми, а полосатыми. На рисунке 4 – А изображен полосатый спектр, при малом разрешении спектрального прибора – такой спектр выглядит как линейчатый. На рисунке 4 – Б изображен полосатый спектр, при большом разрешении спектрального прибора, здесь видна более тонкая структура спектра. Причина более сложной структуры полосатых спектров – многообразие колебательных движений атомов в сложных молекулах. Кроме колебательных движений, в полосатых спектрах отражается вращательное движение самих молекул. При изображении полосатого спектра обычно принято по горизонтальной оси откладывать не частоту или длину волны, а так называемое волновые числа К. Для ИК спектров эти волновые числа лежат в интервале от 4000 до 20 (1/см). Волновым числом называют число длин волн, укладывающихся на отрезке 1 сантиметр.

Приведем пример о поглощении ИК излучения разными группами атомов: О-Н группа поглощает излучение при волновых числах 3350 – 3250 (1/см), С-С группа – при волновых числах 1645-1615 (1/см).

Энергетический уровень — собственные значения энергии квантовых систем, то есть систем, состоящих из микрочастиц (электронов, протонов и других элементарных частиц) и подчиняющихся законам квантовой механики. Каждый уровень характеризуется определённым состоянием системы, или подмножеством таковых в случае вырождения. Понятие применимо к атомам (электронные уровни), молекулам (различные уровни, соответствующие колебаниям и вращениям), атомным ядрам (внутриядерные энергетические уровни) и т.д.

Электронные энергетические уровни

В современном понятии об орбитальной модели атома, электроны в атоме способны обладать лишь определёнными величинами энергии, и переходить с одного энергетического уровня на другой лишь скачком. Разница между энергетическими уровнями определяет частоту кванта света, выделяемого или поглощаемого при переходе. Каждой паре значений главного квантового числа n и орбитального квантового числа l соответствует определённый уровень энергии, которой может обладать электрон.