Tabel spektrum molekul. Spektrum molekul

Sementara spektrum atom terdiri dari garis-garis individu, spektrum molekul, jika dilihat melalui instrumen dengan daya pisah rata-rata, tampak terdiri dari (lihat Gambar 40.1, yang menunjukkan bagian spektrum yang diperoleh dari pelepasan pijar di udara).

Saat menggunakan instrumen resolusi tinggi, ditemukan bahwa pita terdiri dari sejumlah besar garis yang berjarak dekat (lihat Gambar 40.2, yang menunjukkan struktur halus salah satu pita dalam spektrum molekul nitrogen).

Sesuai dengan sifatnya, spektrum molekul disebut spektrum bergaris. Bergantung pada perubahan jenis energi (elektronik, vibrasi, atau rotasi) yang menyebabkan emisi foton oleh molekul, tiga jenis pita dibedakan: 1) rotasi, 2) vibrasi-rotasi, dan 3) vibrasi elektronik. Garis-garis pada gambar. 40.1 termasuk dalam tipe osilasi elektronik. Garis-garis jenis ini dicirikan oleh adanya tepi yang tajam, yang disebut tepi strip. Tepi lain dari pita semacam itu kabur. Kant disebabkan oleh penebalan garis yang membentuk strip. Pita rotasi dan osilasi-rotasi tidak memiliki tepi.

Kami membatasi diri pada pertimbangan spektrum rotasi dan getaran-rotasi molekul diatomik. Energi molekul tersebut terdiri dari energi elektronik, getaran dan rotasi (lihat rumus (39.6)). Dalam keadaan dasar molekul, ketiga jenis energi memiliki nilai minimum. Ketika sejumlah energi yang cukup diberikan ke sebuah molekul, ia masuk ke keadaan tereksitasi dan kemudian, membuat transisi yang diizinkan oleh aturan seleksi ke salah satu keadaan energi yang lebih rendah, memancarkan foton:

(harus diingat bahwa keduanya dan berbeda untuk konfigurasi elektronik molekul yang berbeda).

Pada paragraf sebelumnya disebutkan bahwa

Oleh karena itu, dengan eksitasi lemah, ia hanya berubah dengan eksitasi yang lebih kuat - dan hanya dengan eksitasi yang lebih kuat konfigurasi elektronik molekul berubah, yaitu .

Garis-garis rotasi. Foton yang sesuai dengan transisi molekul dari satu keadaan rotasi ke yang lain memiliki energi terendah (konfigurasi elektronik dan energi getaran tidak berubah dalam kasus ini):

Kemungkinan perubahan dalam bilangan kuantum dibatasi oleh aturan seleksi (39,5). Oleh karena itu, frekuensi garis yang dipancarkan selama transisi antara tingkat rotasi dapat memiliki nilai:

di mana adalah bilangan kuantum dari tingkat di mana transisi dibuat (dapat memiliki nilai: 0, 1, 2, ...), dan

pada gambar. 40.3 menunjukkan diagram munculnya strip rotasi.

Spektrum rotasi terdiri dari serangkaian garis yang berjarak sama yang terletak di daerah inframerah sangat jauh. Dengan mengukur jarak antara garis, Anda dapat menentukan konstanta (40.1) dan menemukan momen inersia molekul. Kemudian, mengetahui massa inti, seseorang dapat menghitung jarak kesetimbangan antara mereka dalam molekul diatomik.

Jarak antara garis Lie dapat dalam urutan besarnya, sehingga untuk momen inersia molekul, diperoleh nilai urutan, misalnya untuk molekul yang sesuai dengan .

Pita getaran-rotasi. Jika keadaan vibrasi dan rotasi molekul berubah selama transisi (Gbr. 40.4), energi foton yang dipancarkan akan sama dengan

Untuk bilangan kuantum v, aturan pemilihan (39,3) berlaku, untuk J, aturan (39,5).

Karena emisi foton dapat diamati tidak hanya pada dan pada . Jika frekuensi foton ditentukan oleh rumus

di mana J adalah bilangan kuantum rotasi dari tingkat yang lebih rendah, yang dapat mengambil nilai: 0, 1, 2, ; B adalah nilai (40.1).

Jika rumus frekuensi foton adalah

di mana adalah bilangan kuantum rotasi dari tingkat yang lebih rendah, yang dapat mengambil nilai: 1, 2, ... (dalam hal ini tidak dapat memiliki nilai 0, karena J akan sama dengan -1).

Kedua kasus dapat dicakup oleh satu rumus:

Himpunan garis dengan frekuensi yang ditentukan oleh rumus ini disebut pita vibrasi-rotasi. Bagian vibrasi dari frekuensi menentukan wilayah spektral di mana pita itu berada; bagian rotasi menentukan struktur halus strip, yaitu pemisahan garis individu. Daerah di mana pita-pita vibrasi-rotasi berada memanjang dari sekitar 8000 hingga 50000 A.

Dari gambar. 40.4 dapat dilihat bahwa pita osilasi-rotasi terdiri dari sekumpulan garis yang simetris terhadap garis yang berjarak satu sama lain hanya dengan jarak dua kali lebih besar di tengah pita, karena garis dengan frekuensi tidak tidak muncul.

Jarak antara komponen-komponen pita rotasi-getaran berhubungan dengan momen inersia molekul dengan hubungan yang sama seperti dalam kasus pita rotasi, sehingga dengan mengukur jarak ini, seseorang dapat menemukan momen inersia dari molekul.

Kami mencatat bahwa, sesuai sepenuhnya dengan kesimpulan teori, spektrum rotasi dan getaran-rotasi diamati secara eksperimental hanya untuk molekul diatomik asimetris (yaitu, molekul yang dibentuk oleh dua atom yang berbeda). Untuk molekul simetris, momen dipol sama dengan nol, yang mengarah pada larangan transisi rotasi dan vibrasi-rotasi. Spektrum getaran elektronik diamati untuk molekul asimetris dan simetris.

spektrum molekul, spektrum optik emisi dan penyerapan, serta Hamburan cahaya Raman, milik bebas atau terkait longgar molekul. MS. memiliki struktur yang kompleks. Khas M. dengan. - bergaris, mereka diamati dalam emisi dan penyerapan dan dalam hamburan Raman dalam bentuk satu set pita yang kurang lebih sempit di daerah ultraviolet, terlihat dan inframerah dekat, yang meluruh dengan kekuatan penyelesaian yang cukup dari instrumen spektral yang digunakan menjadi satu set dari garis-garis yang berjarak dekat. Struktur spesifik M. s. berbeda untuk molekul yang berbeda dan, secara umum, menjadi lebih rumit dengan peningkatan jumlah atom dalam molekul. Untuk molekul yang sangat kompleks, spektrum tampak dan ultraviolet terdiri dari beberapa pita kontinu yang luas; spektrum molekul tersebut mirip satu sama lain.

MS. terjadi ketika transisi kuantum di antara tingkat energi E' dan E'' molekul sesuai dengan rasio

h n= E‘ - E‘’, (1)

di mana h n adalah energi yang dipancarkan diserap foton frekuensi n ( h -konstanta Planck ). Untuk hamburan Raman h n sama dengan perbedaan antara energi yang datang dan foton yang dihamburkan. MS. jauh lebih rumit daripada garis spektrum atom, yang ditentukan oleh kompleksitas yang lebih besar dari gerakan internal dalam molekul daripada di atom. Seiring dengan pergerakan elektron relatif terhadap dua atau lebih inti dalam molekul, ada pergerakan osilasi inti (bersama dengan elektron internal yang mengelilinginya) di sekitar posisi kesetimbangan dan pergerakan rotasi molekul secara keseluruhan. Ketiga jenis gerakan ini - elektronik, vibrasi dan rotasi - sesuai dengan tiga jenis tingkat energi dan tiga jenis spektrum.

Menurut mekanika kuantum, energi dari semua jenis gerak dalam molekul hanya dapat mengambil nilai-nilai tertentu, yaitu terkuantisasi. Energi total molekul E kira-kira dapat direpresentasikan sebagai jumlah dari nilai energi terkuantisasi dari tiga jenis gerakannya:

E = E email + E hitung + E rotasi (2)

Dalam urutan besarnya

di mana m adalah massa elektron, dan kuantitas M memiliki urutan massa inti atom dalam molekul, yaitu m/M~ 10 -3 -10 -5 , oleh karena itu:

E email >> E menghitung >> E rotasi (empat)

Biasanya E el dari urutan beberapa setiap(beberapa ratus kJ/mol), E hitung ~ 10 -2 -10 -1 malam rotasi ~ 10 -5 -10 -3 ev.

Sesuai dengan (4), sistem tingkat energi suatu molekul dicirikan oleh serangkaian tingkat elektronik yang berjauhan satu sama lain (nilai yang berbeda E email di E menghitung = E rotasi = 0), tingkat getaran terletak lebih dekat satu sama lain (nilai yang berbeda E menghitung pada saat tertentu E tanah E rotasi = 0) dan tingkat rotasi yang lebih dekat (nilai yang berbeda E rotasi saat diberikan E email dan E menghitung).

Tingkat energi elektronik ( E el dalam (2) sesuai dengan konfigurasi kesetimbangan molekul (dalam kasus molekul diatomik yang dicirikan oleh nilai kesetimbangan r 0 jarak antar nuklir r . Setiap keadaan elektronik sesuai dengan konfigurasi kesetimbangan tertentu dan nilai tertentu E el; nilai terkecil sesuai dengan tingkat energi utama.

Himpunan keadaan elektronik suatu molekul ditentukan oleh sifat-sifat kulit elektronnya. Pada dasarnya nilai-nilai E e dapat dihitung dengan metode kimia kuantum, namun, masalah ini hanya dapat diselesaikan dengan bantuan metode perkiraan dan untuk molekul yang relatif sederhana. Informasi paling penting tentang tingkat elektronik suatu molekul (susunan tingkat energi elektronik dan karakteristiknya), yang ditentukan oleh struktur kimianya, diperoleh dengan mempelajari struktur molekulnya.

Karakteristik yang sangat penting dari tingkat energi elektronik tertentu adalah nilai bilangan kuantum S, mengkarakterisasi nilai absolut dari momen putaran total semua elektron molekul. Molekul yang stabil secara kimia biasanya memiliki jumlah elektron yang genap, dan untuk mereka S= 0, 1, 2... (untuk level elektronik utama, nilainya S= 0, dan untuk bersemangat - S= 0 dan S= 1). Level dari S= 0 disebut singlet, dengan S= 1 - triplet (karena interaksi dalam molekul menyebabkan pemisahannya menjadi c = 2 S+ 1 = 3 sublevel) . DARI Radikal bebas memiliki, sebagai aturan, jumlah elektron ganjil, untuk mereka S= 1 / 2 , 3 / 2 , ... dan nilainya S= 1 / 2 (level ganda terbagi menjadi c = 2 sublevel).

Untuk molekul yang konfigurasi kesetimbangannya memiliki simetri, tingkat elektronik dapat diklasifikasikan lebih lanjut. Dalam kasus molekul triatomik diatomik dan linier memiliki sumbu simetri (orde tak terbatas) melewati inti semua atom , level elektronik dicirikan oleh nilai bilangan kuantum l, yang menentukan nilai absolut proyeksi momentum sudut orbital total semua elektron ke sumbu molekul. Level dengan l = 0, 1, 2, ... masing-masing dilambangkan dengan S, P, D..., dan nilai c ditunjukkan oleh indeks di kiri atas (misalnya, 3 S, 2 p, ...). Untuk molekul dengan pusat simetri, seperti CO 2 dan C 6 H 6 , semua level elektronik dibagi menjadi genap dan ganjil, dilambangkan dengan indeks g dan kamu(tergantung pada apakah fungsi gelombang mempertahankan tandanya saat membalik pusat simetri atau mengubahnya).

Tingkat energi getaran (nilai E kol) dapat ditemukan dengan mengkuantisasi gerakan osilasi, yang kira-kira dianggap harmonik. Dalam kasus molekul diatomik yang paling sederhana (satu derajat kebebasan vibrasi yang sesuai dengan perubahan jarak antar inti r) itu dianggap sebagai harmonik osilator; kuantisasinya memberikan tingkat energi yang sama:

E menghitung = h n e (u +1/2), (5)

di mana n e adalah frekuensi dasar getaran harmonik molekul, u adalah bilangan kuantum getaran, yang mengambil nilai 0, 1, 2, ... Untuk setiap keadaan elektronik dari molekul poliatomik yang terdiri dari N atom ( N 3) dan memiliki f derajat kebebasan getaran ( f = 3N- 5 dan f = 3N- 6 untuk molekul linier dan non-linier, masing-masing), ternyata f disebut. osilasi normal dengan frekuensi n i ( saya = 1, 2, 3, ..., f) dan sistem tingkat getaran yang kompleks:

di mana kamu i = 0, 1, 2, ... adalah bilangan kuantum vibrasi yang sesuai. Himpunan frekuensi getaran normal dalam keadaan elektronik dasar adalah karakteristik yang sangat penting dari suatu molekul, tergantung pada struktur kimianya. Semua atom dari molekul atau bagian dari mereka berpartisipasi dalam getaran normal tertentu; atom dalam hal ini membuat getaran harmonik dengan satu frekuensi v i , tetapi dengan amplitudo berbeda yang menentukan bentuk osilasi. Getaran normal dibagi menurut bentuknya menjadi valensi (di mana panjang garis ikatan berubah) dan deformasi (di mana sudut antara ikatan kimia berubah - sudut valensi). Jumlah frekuensi vibrasi yang berbeda untuk molekul simetri rendah (tidak memiliki sumbu simetri orde lebih tinggi dari 2) adalah 2, dan semua vibrasi tidak mengalami degenerasi, sedangkan untuk molekul yang lebih simetris terdapat vibrasi degenerasi ganda dan tripel (pasangan dan triplet degenerasi). getaran yang bertepatan dalam frekuensi). Misalnya, untuk molekul triatomik nonlinier H 2 O f= 3 dan tiga getaran nondegenerate dimungkinkan (dua valensi dan satu deformasi). Molekul CO2 triatomik linier yang lebih simetris memiliki f= 4 - dua getaran non-degenerasi (valensi) dan satu degenerasi ganda (deformasi). Untuk molekul C 6 H 6 planar yang sangat simetris, kita peroleh: f= 30 - sepuluh getaran non-degenerasi dan 10 getaran degenerasi ganda; dari jumlah tersebut, 14 getaran terjadi pada bidang molekul (8 valensi dan 6 deformasi) dan 6 getaran deformasi non-planar - tegak lurus terhadap bidang ini. Molekul CH 4 tetrahedral yang lebih simetris memiliki f= 9 - satu getaran non-degenerasi (valensi), satu degenerasi ganda (deformasi) dan dua degenerasi tiga kali (satu valensi dan satu deformasi).

Tingkat energi rotasi dapat ditemukan dengan mengkuantisasi gerakan rotasi molekul, dengan menganggapnya sebagai benda tegar dengan momen inersia. Dalam kasus paling sederhana dari molekul diatomik atau poliatomik linier, energi rotasinya

di mana Saya adalah momen inersia molekul terhadap sumbu tegak lurus terhadap sumbu molekul, dan M- momen rotasi momentum. Menurut aturan kuantisasi,

di mana adalah bilangan kuantum rotasi J= 0, 1, 2, ..., dan, oleh karena itu, untuk E rotasi diterima:

di mana konstanta rotasi menentukan skala jarak antara tingkat energi, yang menurun dengan meningkatnya massa inti dan jarak antar inti.

Berbagai jenis M. dengan. timbul selama berbagai jenis transisi antara tingkat energi molekul. Menurut (1) dan (2)

D E = E‘ - E'' = D E el + D E hitung + D E rotasi, (8)

dimana perubahan D E el, D E hitung dan D E rotasi energi elektronik, getaran dan rotasi memenuhi kondisi:

D E email >> D E hitung >> D E rotasi (9)

[jarak antara level dengan urutan yang sama dengan energi itu sendiri E el, E ol dan E rotasi memenuhi kondisi (4)].

Di D E el 0, elektronik M. s diperoleh, diamati di daerah yang terlihat dan di daerah ultraviolet (UV). Biasanya di D E el 0 secara bersamaan D E col 0 dan D E rotasi 0; berbagai D E hitung untuk D yang diberikan E el sesuai dengan pita getaran yang berbeda, dan dengan D . yang berbeda E rotasi untuk D yang diberikan E el dan d E count - garis rotasi terpisah di mana pita ini putus; struktur bergaris karakteristik diperoleh.

Pemisahan rotasi pita getaran elektronik 3805 dari molekul N2

Himpunan pita dengan D yang diberikan E el (sesuai dengan transisi elektronik murni dengan frekuensi v el=D E surel / h) disebut sistem pita; pita individu memiliki intensitas yang berbeda tergantung pada probabilitas transisi relatif, yang kira-kira dapat dihitung dengan metode mekanika kuantum. Untuk molekul kompleks, pita dari satu sistem, yang sesuai dengan transisi elektronik yang diberikan, biasanya bergabung menjadi satu pita kontinu yang lebar, dan beberapa pita lebar tersebut dapat saling tumpang tindih. Spektrum elektronik diskrit yang khas diamati dalam larutan beku senyawa organik . Spektra elektronik (lebih tepatnya, elektronik-getaran-rotasi) dipelajari secara eksperimental menggunakan spektrograf dan spektrometer dengan optik kaca (untuk daerah tampak) dan kuarsa (untuk daerah UV), di mana prisma atau kisi difraksi digunakan untuk menguraikan cahaya menjadi spektrum. .

Di D E el = 0, dan D E col 0, getaran M. s diperoleh, diamati dari dekat (hingga beberapa mikron) dan di tengah (hingga beberapa puluh mikron) daerah inframerah (IR), biasanya dalam penyerapan, serta dalam hamburan cahaya Raman. Sebagai aturan, pada saat yang sama E rotasi 0 dan untuk yang diberikan E Jika ini dilakukan, pita osilasi diperoleh, yang pecah menjadi garis rotasi terpisah. Yang paling intens dalam getaran M. s. garis-garis yang sesuai dengan D kamu = kamu’ - kamu'' = 1 (untuk molekul poliatomik - D kamu saya = kamu saya'- kamu i ''= 1 di D kamu k = kamu k'- kamu k '' = 0, dimana k i).

Untuk osilasi harmonik murni, berikut: aturan seleksi, melarang transisi lain dilakukan secara ketat; pita muncul untuk getaran anharmonik, di mana D kamu> 1 (nada tambahan); intensitasnya biasanya rendah dan menurun dengan meningkatnya D kamu.

Spektrum getaran (lebih tepatnya, getaran-rotasi) dipelajari secara eksperimental di wilayah IR dalam penyerapan menggunakan spektrometer IR dengan prisma transparan terhadap radiasi IR, atau dengan kisi difraksi, serta spektrometer Fourier dan dalam hamburan Raman menggunakan spektrograf bukaan tinggi (untuk wilayah yang terlihat) menggunakan eksitasi laser.

Di D E el = 0 dan D E col = 0, murni rotasi M. s., yang terdiri dari garis individu, diperoleh. Mereka diamati dalam penyerapan di kejauhan (ratusan mikron) wilayah IR dan terutama di wilayah gelombang mikro, serta di spektrum Raman. Untuk molekul poliatomik diatomik dan linier (serta untuk molekul poliatomik nonlinier yang cukup simetris), garis-garis ini berjarak sama (dalam skala frekuensi) satu sama lain dengan interval Dn = 2 B dalam spektrum serapan dan Dn = 4 B dalam spektrum Raman.

Spektrum rotasi murni dipelajari dalam penyerapan di wilayah inframerah jauh menggunakan spektrometer IR dengan kisi difraksi khusus (echelettes) dan spektrometer Fourier, di wilayah gelombang mikro menggunakan spektrometer gelombang mikro (microwave). , dan juga dalam hamburan Raman dengan bantuan spektrograf bukaan tinggi.

Metode spektroskopi molekuler, berdasarkan studi berat molekul, memungkinkan untuk memecahkan berbagai masalah dalam kimia, biologi, dan ilmu lainnya (misalnya, untuk menentukan komposisi produk minyak bumi, zat polimer, dan sebagainya). Dalam kimia menurut M. s. mempelajari struktur molekul. Elektronik M. dengan. memungkinkan untuk memperoleh informasi tentang kulit elektron molekul, untuk menentukan tingkat tereksitasi dan karakteristiknya, untuk menemukan energi disosiasi molekul (dengan konvergensi tingkat vibrasi molekul ke batas disosiasi). Studi tentang getaran M. s. memungkinkan Anda untuk menemukan frekuensi getaran karakteristik yang sesuai dengan jenis ikatan kimia tertentu dalam suatu molekul (misalnya, ikatan C-C rangkap dan rangkap tiga sederhana, ikatan C-H, N-H, O-H untuk molekul organik), berbagai kelompok atom (misalnya, CH 2 , CH 3 , NH 2), menentukan struktur spasial molekul, membedakan antara isomer cis dan trans. Untuk ini, baik spektrum penyerapan inframerah (IRS) dan spektrum Raman (RSS) digunakan. Metode IR telah menjadi sangat luas sebagai salah satu metode optik yang paling efektif untuk mempelajari struktur molekul. Ini memberikan informasi yang paling lengkap dalam kombinasi dengan metode SRS. Studi tentang gaya molekul rotasi, serta struktur rotasi spektrum elektronik dan getaran, memungkinkan, dari nilai momen inersia molekul yang ditemukan dari pengalaman [yang diperoleh dari nilai konstanta rotasi. , lihat (7)], untuk menemukan dengan akurasi tinggi (untuk molekul yang lebih sederhana, misalnya H 2 O) parameter konfigurasi kesetimbangan molekul - panjang ikatan dan sudut ikatan. Untuk meningkatkan jumlah parameter yang akan ditentukan, spektrum molekul isotop (khususnya, di mana hidrogen digantikan oleh deuterium) dipelajari, yang memiliki parameter konfigurasi kesetimbangan yang sama, tetapi momen inersia yang berbeda.

Sebagai contoh aplikasi M. dengan. untuk menentukan struktur kimia molekul, pertimbangkan molekul benzena C 6 H 6 . Studi tentang M. s. menegaskan kebenaran model, yang menurutnya molekulnya datar, dan semua 6 ikatan C-C dalam cincin benzena adalah setara dan membentuk segi enam biasa dengan sumbu simetri orde enam yang melewati pusat simetri molekul yang tegak lurus terhadapnya pesawat terbang. Elektronik M. dengan. penyerapan C 6 H 6 terdiri dari beberapa sistem pita yang sesuai dengan transisi dari tingkat singlet genap dasar ke tingkat ganjil tereksitasi, yang pertama adalah triplet, dan yang lebih tinggi adalah singlet. Sistem pita paling kuat di wilayah tahun 1840 ( E 5 - E 1 = 7,0 setiap), sistem pita terlemah di wilayah 3400 ( E 2 - E 1 = 3,8setiap), sesuai dengan transisi singlet-triplet, yang dilarang oleh aturan pemilihan perkiraan untuk putaran total. Transisi sesuai dengan eksitasi yang disebut. p-elektron terdelokalisasi di seluruh cincin benzena ; skema level yang diperoleh dari spektrum molekul elektronik sesuai dengan perkiraan perhitungan mekanika kuantum. Getaran M. s. C 6 H 6 sesuai dengan keberadaan pusat simetri dalam molekul - frekuensi getaran yang muncul (aktif) di ICS tidak ada (tidak aktif) di SKR dan sebaliknya (yang disebut larangan alternatif). Dari 20 getaran normal C6H6, 4 aktif di ICS dan 7 aktif di TFR, 11 sisanya tidak aktif baik di ICS maupun di TFR. Nilai frekuensi yang diukur (dalam cm -1): 673, 1038, 1486, 3080 (dalam IKS) dan 607, 850, 992, 1178, 1596, 3047, 3062 (dalam TFR). Frekuensi 673 dan 850 sesuai dengan getaran luar bidang, semua frekuensi lainnya sesuai dengan getaran bidang. Karakteristik khusus untuk vibrasi planar adalah frekuensi 992 (sesuai dengan vibrasi regangan ikatan C-C, yang terdiri dari kompresi periodik dan regangan cincin benzena), frekuensi 3062 dan 3080 (sesuai dengan vibrasi regangan ikatan C-H) dan frekuensi 607 (sesuai dengan getaran deformasi cincin benzena). Spektrum vibrasi yang diamati dari C 6 H 6 (dan spektrum vibrasi serupa dari C 6 D 6) sangat sesuai dengan perhitungan teoretis, yang memungkinkan untuk memberikan interpretasi lengkap dari spektrum ini dan menemukan bentuk semua vibrasi normal.

Demikian pula dengan bantuan M. s. menentukan struktur berbagai kelas molekul organik dan anorganik, hingga yang sangat kompleks, seperti molekul polimer.

Kuliah 12. Fisika nuklir. Struktur inti atom.

Inti- ini adalah bagian besar pusat atom, di mana elektron berputar dalam orbit kuantum. Massa inti kira-kira 4·10 3 kali lebih besar dari massa semua elektron yang menyusun atom. Ukuran kernel sangat kecil (10 -12 -10 -13 cm), yang kira-kira 105 kali lebih kecil dari diameter seluruh atom. Muatan listrik positif dan sama nilainya dengan jumlah muatan elektron atom (karena atom secara keseluruhan bersifat netral).

Nukleus ditemukan oleh E. Rutherford (1911) dalam eksperimen hamburan partikel-a saat melewati materi. Setelah menemukan bahwa partikel-a menyebar pada sudut yang besar lebih sering daripada yang diperkirakan, Rutherford menyarankan bahwa muatan positif atom terkonsentrasi dalam inti kecil (sebelum itu, gagasan J. Thomson mendominasi, yang menurutnya muatan positif atom atom dianggap terdistribusi secara merata pada volumenya). Gagasan Rutherford tidak segera diterima oleh orang-orang sezamannya (hambatan utama adalah keyakinan akan jatuhnya elektron atom yang tak terhindarkan pada inti karena hilangnya energi radiasi elektromagnetik ketika bergerak di orbit di sekitar inti). Peran penting dalam pengakuannya dimainkan oleh karya terkenal N. Bohr (1913), yang meletakkan dasar bagi teori kuantum atom. Bohr mendalilkan stabilitas orbit sebagai prinsip awal kuantisasi gerakan elektron atom, dan dari situ ia kemudian menyimpulkan keteraturan spektrum optik garis, yang menjelaskan materi empiris yang luas (deret Balmer, dll.). Beberapa waktu kemudian (pada akhir tahun 1913), siswa Rutherford G. Moseley secara eksperimental menunjukkan bahwa pergeseran batas panjang gelombang pendek dari garis spektrum sinar-X atom dengan perubahan nomor atom Z suatu unsur dalam sistem periodik elemen sesuai dengan teori Bohr, jika kita berasumsi bahwa muatan listrik inti (dalam satuan muatan elektron) sama dengan Z. Penemuan ini benar-benar mematahkan penghalang ketidakpercayaan: objek fisik baru - inti - ternyata adalah terhubung erat dengan seluruh rentang fenomena yang tampaknya heterogen, yang sekarang menerima penjelasan tunggal dan transparan secara fisik. Setelah karya Moseley, fakta keberadaan inti atom akhirnya ditetapkan dalam fisika.

Komposisi inti. Pada saat penemuan nukleus, hanya dua partikel dasar yang diketahui - proton dan elektron. Oleh karena itu, dianggap mungkin bahwa inti terdiri dari mereka. Namun, di akhir 20-an. abad ke-20 hipotesis proton-elektron menghadapi kesulitan serius, yang disebut "bencana nitrogen": menurut hipotesis proton-elektron, inti nitrogen seharusnya berisi 21 partikel (14 proton dan 7 elektron), yang masing-masing memiliki putaran 1/ 2. Putaran inti nitrogen harus setengah bilangan bulat, dan menurut pengukuran spektrum molekul optik, putarannya ternyata sama dengan 1.

Komposisi nukleus dijelaskan setelah ditemukan oleh J. Chadwick (1932) neutron. Massa neutron, ternyata sudah dari percobaan pertama Chadwick, dekat dengan massa proton, dan putarannya adalah 1/2 (ditetapkan kemudian). Gagasan bahwa inti terdiri dari proton dan neutron pertama kali diungkapkan oleh D. D. Ivanenko (1932) dan segera diikuti oleh W. Heisenberg (1932). Asumsi tentang komposisi proton-neutron inti kemudian sepenuhnya dikonfirmasi secara eksperimental. Dalam fisika nuklir modern, proton (p) dan neutron (n) sering digabungkan dengan nama umum nukleon. Jumlah total nukleon dalam inti disebut nomor massa TETAPI, jumlah proton sama dengan muatan inti Z (dalam satuan muatan elektron), jumlah neutron N = A - Z. Pada isotop sama Z tapi beda TETAPI dan N, inti memiliki isobar yang sama TETAPI dan Z berbeda dan N.

Sehubungan dengan penemuan partikel baru yang lebih berat dari nukleon, maka disebut. isobar nukleon, ternyata mereka juga harus menjadi bagian dari nukleus (nukleon intranukleon, bertabrakan satu sama lain, dapat berubah menjadi isobar nukleon). Dalam kernel paling sederhana - deuteron , terdiri dari satu proton dan satu neutron, nukleon ~ 1% dari waktu harus dalam bentuk isobar nukleon. Sejumlah fenomena yang diamati bersaksi mendukung keberadaan keadaan isobarik seperti itu di inti. Selain nukleon dan isobar nukleon, dalam nuklei secara berkala untuk waktu yang singkat (10 -23 -10 -24 detik) muncul meson , termasuk yang paling ringan di antara mereka - p-mesons. Interaksi nukleon direduksi menjadi beberapa tindakan emisi meson oleh salah satu nukleon dan penyerapannya oleh yang lain. Timbul begitu. pertukaran arus meson mempengaruhi, khususnya, sifat elektromagnetik inti. Manifestasi yang paling berbeda dari arus pertukaran meson ditemukan dalam reaksi pemisahan deuteron oleh elektron berenergi tinggi dan g-quanta.

Interaksi nukleon. Gaya yang menahan nukleon di dalam inti disebut nuklir . Ini adalah yang terkuat dari semua interaksi yang dikenal dalam fisika. Gaya nuklir yang bekerja antara dua nukleon dalam inti, dalam urutan besarnya, seratus kali lebih kuat daripada interaksi elektrostatik antara proton. Properti penting dari kekuatan nuklir adalah milik mereka. kemerdekaan dari keadaan muatan nukleon: interaksi nuklir dua proton, dua neutron, atau neutron dan proton adalah sama jika keadaan gerak relatif pasangan partikel ini sama. Besarnya gaya nuklir tergantung pada jarak antara nukleon, pada orientasi timbal balik dari spinnya, pada orientasi spin relatif terhadap momen rotasi orbit dan vektor radius yang ditarik dari satu partikel ke partikel lainnya. Gaya nuklir dicirikan oleh radius aksi tertentu: potensi gaya ini berkurang seiring dengan jarak r antar partikel lebih cepat dari r-2 , dan kekuatannya sendiri lebih cepat dari r-3 . Ini mengikuti dari pertimbangan sifat fisik gaya nuklir bahwa mereka harus berkurang secara eksponensial dengan jarak. Jari-jari aksi gaya nuklir ditentukan oleh apa yang disebut. Panjang gelombang Compton r 0 meson yang dipertukarkan antar nukleon dalam proses interaksi:

di sini m, adalah massa meson, adalah konstanta Planck, Dengan adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Gaya akibat pertukaran p-meson memiliki radius aksi terbesar. Bagi mereka, r 0 = 1,41 f (1 f = 10 -13 cm). Jarak antar inti dalam inti hanya memiliki urutan besarnya, namun, pertukaran meson yang lebih berat (m-, r-, w-meson, dll.) juga berkontribusi pada gaya nuklir. Ketergantungan yang tepat dari gaya nuklir antara dua nukleon pada jarak dan kontribusi gaya nuklir karena pertukaran meson dari jenis yang berbeda belum ditetapkan dengan pasti. Dalam inti multinukleon, gaya dimungkinkan yang tidak direduksi menjadi interaksi pasangan nukleon saja. Peran ini disebut. gaya banyak partikel dalam struktur inti masih belum jelas.

Ukuran inti tergantung pada jumlah nukleon yang dikandungnya. Kepadatan rata-rata jumlah nukleon p dalam nukleus (jumlahnya per satuan volume) untuk semua nukleon multinukleon (A > 0) praktis sama. Ini berarti bahwa volume nukleus sebanding dengan jumlah nukleon TETAPI, dan ukuran liniernya ~A 1/3. Jari-jari inti yang efektif R ditentukan oleh rasio:

R = a A 1/3 , (2)

dimana adalah konstanta sebuah dekat dengan Hz, tetapi berbeda darinya dan tergantung pada fenomena fisik di mana ia diukur R. Dalam kasus yang disebut jari-jari muatan inti, diukur dengan hamburan elektron pada inti atau dengan posisi tingkat energi m- mesoatom : a = 1,12 f. Radius efektif ditentukan dari proses interaksi hadron (nukleon, meson, partikel-a, dll.) dengan inti, sedikit lebih besar dari muatan: dari 1,2 f hingga 1,4 f.

Kepadatan materi nuklir sangat tinggi dibandingkan dengan kerapatan zat biasa: kira-kira 10 14 G/cm 3 . Dalam nukleus, r hampir konstan di bagian tengah dan menurun secara eksponensial menuju pinggiran. Untuk deskripsi perkiraan data empiris, ketergantungan r berikut pada jarak r dari pusat nukleus kadang-kadang diambil:

.

Jari-jari inti yang efektif R adalah sama dengan R 0 + b. Nilai b mencirikan kaburnya batas inti; hampir sama untuk semua inti (» 0,5 f). Parameter r 0 adalah densitas ganda pada "batas" nukleus, ditentukan dari kondisi normalisasi (persamaan integral volume dengan jumlah nukleon TETAPI). Dari (2) dapat disimpulkan bahwa ukuran inti bervariasi dalam urutan besarnya dari 10 -13 cm hingga 10 -12 cm untuk inti berat (ukuran atom ~ 10 -8 cm). Namun, rumus (2) menggambarkan pertumbuhan dimensi linier inti dengan peningkatan jumlah nukleon hanya secara kasar, dengan peningkatan yang signifikan TETAPI. Perubahan ukuran nukleus dalam kasus perlekatan satu atau dua nukleon padanya tergantung pada detail struktur nukleus dan mungkin tidak beraturan. Secara khusus (seperti yang ditunjukkan oleh pengukuran pergeseran isotop tingkat energi atom), kadang-kadang jari-jari nukleus bahkan berkurang dengan penambahan dua neutron.

SPEKTRA MOLEKULER

Emisi, penyerapan, dan hamburan Raman (Raman) spektrum molekul bebas atau terikat lemah. Halaman M. khas - bergaris, mereka diamati dalam bentuk satu set pita yang kurang lebih sempit di daerah spektrum UV, terlihat dan IR; dengan resolusi yang cukup dari pier instrumen spektral. garis-garis itu pecah menjadi satu set garis yang berjarak dekat. struktur M. dengan. berbeda untuk perbedaan molekul dan menjadi lebih kompleks dengan peningkatan jumlah atom dalam molekul. Spektrum sinar tampak dan UV dari molekul yang sangat kompleks serupa dan terdiri dari beberapa pita kontinu yang lebar. MS. muncul selama transisi kuantum antara tingkat energi?" dan?" molekul dengan perbandingan:

di mana hv adalah energi dari foton yang dipancarkan atau diserap dengan frekuensi v. Untuk Raman, hv sama dengan selisih antara energi datang dan foton yang dihamburkan. MS. jauh lebih rumit daripada spektrum atom, yang ditentukan oleh kompleksitas internal yang lebih besar. gerakan dalam molekul, karena selain gerakan elektron relatif terhadap dua atau lebih inti dalam molekul, ada osilasi. pergerakan inti (bersama dengan elemen internal yang mengelilinginya) tentang posisi kesetimbangan dan berputar. pergerakannya secara keseluruhan. Elektronik, berosilasi dan memutar. pergerakan molekul sesuai dengan tiga jenis tingkat energi? el,?

Menurut kuant. mekanika, energi semua jenis gerak dalam suatu molekul hanya dapat mengambil nilai-nilai tertentu (terkuantisasi). Berapakah energi total molekul tersebut? kira-kira dapat direpresentasikan sebagai jumlah nilai energi terkuantisasi yang sesuai dengan tiga jenis internalnya. gerakan:

?? el +? hitung +? vr, (2) dan dalam urutan besarnya

El:?col:?vr = 1: ?m/M:m/M, (3)

di mana m adalah massa elektron, dan M memiliki orde massa inti atom dalam molekul, mis.

El -> ?hitung ->?vr. (4) Biasanya memesan beberapa. eV (ratusan kJ/mol), ?kol = 10-2-10-1 eV, ?vr = 10-5-10-3 eV.

Sistem tingkat energi molekul dicirikan oleh kumpulan tingkat energi elektronik yang berjauhan satu sama lain (des. ?el at?col=?vr=0). tingkat vibrasi terletak lebih dekat satu sama lain (diff. ?col pada waktu tertentu?el dan?rot=0) dan tingkat rotasi bahkan lebih dekat satu sama lain (nilai?rot pada titik tertentu?el dan?col).

Tingkat energi elektronik a sampai b pada gambar. 1 sesuai dengan konfigurasi kesetimbangan molekul. Setiap keadaan elektronik sesuai dengan konfigurasi kesetimbangan tertentu dan nilai tertentu? el; nilai terkecil sesuai dengan utama. keadaan elektronik (tingkat energi elektronik dasar molekul).

Beras. 1. Skema tingkat energi molekul diatomik, a dan b - tingkat elektronik; v" dan v" - kuantum. jumlah fluktuasi. tingkat; J" dan J" - kuantum. nomor rotasi. tingkat.

Himpunan keadaan elektronik suatu molekul ditentukan oleh St. you dari kulit elektroniknya. Pada prinsipnya, nilai el dapat dihitung dengan metode kuantum. kimia, tetapi masalah ini hanya dapat diselesaikan kira-kira dan untuk molekul yang relatif sederhana. Informasi penting tentang tingkat elektronik molekul (lokasi dan karakteristiknya), ditentukan oleh kimianya. struktur, menerima, mempelajari M. dengan.

Karakteristik yang sangat penting dari tingkat energi elektronik adalah nilai bilangan kuantum 5, yang menentukan abs. nilai momen putaran total semua e-new. Molekul yang stabil secara kimia biasanya memiliki jumlah elektron yang genap, dan untuk mereka 5 = 0, 1, 2, . . .; untuk yang utama tingkat elektronik biasanya 5=0, untuk bersemangat - 5=0 dan 5=1. Tingkat dengan S=0 naz. singlet, dengan S=1 - triplet (karena multiplisitasnya adalah c=2S+1=3).

Dalam kasus molekul triatomik diatomik dan linier, tingkat elektronik dicirikan oleh nilai kuantum. nomor L, mendefinisikan abs. nilai proyeksi momentum orbital total semua elektron ke sumbu molekul. Level dengan L=0, 1, 2, ... masing-masing dilambangkan dengan S, P, D, . . ., dan dan ditunjukkan oleh indeks di kiri atas (misalnya, 3S, 2П). Untuk molekul dengan pusat simetri (misalnya, CO2, CH6), semua tingkat elektronik dibagi menjadi genap dan ganjil (g dan u, masing-masing) tergantung pada apakah fungsi gelombang yang menentukan mereka mempertahankan tandanya atau tidak ketika membalikkan pada pusat simetri.

Tingkat energi getaran dapat ditemukan dengan mengkuantisasi getaran. gerakan, yang kira-kira dianggap harmonik. Molekul diatomik (satu derajat kebebasan vibrasi yang sesuai dengan perubahan jarak antar inti r) dapat dianggap sebagai harmonik. osilator, kuantisasi yang memberikan tingkat energi yang sama:

di mana v - utama. frekuensi harmonik getaran molekul, v=0, 1, 2, . . .- berombang-ambing. kuantum. nomor.

Untuk setiap keadaan elektronik dari molekul poliatomik yang terdiri dari atom N?3 dan memiliki f Colebat. derajat kebebasan (f=3N-5 dan f=3N-6 untuk molekul linier dan nonlinier, masing-masing), ternyata / disebut. osilasi normal dengan frekuensi vi(sakit, 2, 3, . . , f) dan sistem osilasi kompleks. tingkat energi:

Set frekuensi norma. fluktuasi utama. keadaan elektronik yavl. karakteristik penting dari molekul, tergantung pada kimianya. bangunan. Untuk standar tertentu. getaran melibatkan baik semua atom dari molekul, atau bagian dari mereka; atom membuat harmonik. osilasi dengan frekuensi yang sama vi, tetapi dengan diff. amplitudo yang menentukan bentuk osilasi. Norma. getaran dibagi berdasarkan bentuk menjadi valensi (panjang ikatan kimia berubah) dan deformasi (sudut antara ikatan kimia berubah - sudut ikatan). Untuk molekul dengan simetri yang lebih rendah (lihat SYMMETRI MOLEKUL) f=2 dan semua vibrasi tidak mengalami degenerasi; untuk molekul yang lebih simetris, ada getaran degenerasi ganda dan tiga kali lipat, yaitu, pasangan dan tiga kali getaran yang bertepatan dalam frekuensi.

Tingkat energi rotasi dapat ditemukan dengan mengkuantisasi rotasi. gerakan molekul, menganggapnya sebagai TV. benda dengan momen inersia tertentu. Dalam kasus molekul triatomik diatomik atau linier, energi rotasinya? vr \u003d M2 / 2I, di mana I adalah momen inersia molekul terhadap sumbu yang tegak lurus terhadap sumbu molekul, dan M diputar. momen jumlah gerak. Menurut aturan kuantisasi,

M2=(h/4pi2)J(J+1),

dimana f=0, 1,2,. . .- kuantum rotasi. nomor; untuk?vr kita mendapatkan:

=(h2/8pi2I)J(J+1) = hBJ(J+1), (7)

di mana mereka berputar. konstanta B=(h/8piI2)I

menentukan skala jarak antara tingkat energi, yang menurun dengan meningkatnya massa nuklir dan jarak antar nuklir.

Beda M. jenis dengan. terjadi pada berbeda jenis transisi antara tingkat energi molekul. Menurut (1) dan (2):

D?=?"-?"==D?el+D?hitung+D?vr,

apalagi sama dengan (4) D?el->D?hitung->D? Ketika D?el?0 diperoleh elektronik M.s., diamati di daerah terlihat dan UV. Biasanya di D??0 bersamaan D?col?0 dan D?vr?0; Desember D?hitung untuk D?el yang diberikan sesuai dengan dekompilasi. berosilasi garis-garis (Gbr. 2), dan desember. D?vr saat diberikan D?el dan D?jumlah otd. memutar garis di mana osilasi putus. garis-garis (Gbr. 3).

Beras. 2. Elektroino-osilasi. spektrum molekul N2 di daerah UV dekat; kelompok band sesuai dengan Desember. nilai Dv= v"-v".

Himpunan pita dengan D?el tertentu (sesuai dengan transisi elektronik murni dengan frekuensi nel=D?el/h) disebut. sistem bergaris; garis-garisnya berbeda intensitas tergantung pada relatif. probabilitas transisi (lihat TRANSISI QUANTUM).

Beras. 3. Putar. pemecahan elektron-kolsbat. pita 3805.0? molekul N2.

Untuk molekul kompleks, pita dari satu sistem yang sesuai dengan transisi elektronik yang diberikan biasanya bergabung menjadi satu pita kontinu yang luas; dapat ditumpangkan satu sama lain dan beberapa. garis-garis seperti itu. Spektrum elektronik diskrit karakteristik diamati dalam larutan organik beku. koneksi.

Spektra elektronik (lebih tepatnya, elektronik-getaran-rotasi) dipelajari menggunakan instrumen spektral dengan kaca (wilayah tampak) dan optik kuarsa (wilayah UV, (lihat RADIASI UV)). Ketika D? el \u003d 0, dan D? menghitung? 0, berosilasi diperoleh. MS, diamati di wilayah dekat-IR, biasanya dalam spektrum serapan dan Raman. Sebagai aturan, pada D tertentu hitung D vr 0 dan berfluktuasi. band ini terpecah menjadi memutar garis. Paling intens dalam getaran. MS. pita yang memenuhi kondisi Dv=v"-v"=1 (untuk molekul poliatomik Dvi=v"i-v"i=1 pada Dvk=V"k-V"k=0; di sini i dan k menentukan getaran normal yang berbeda). Untuk harmonik murni fluktuasi, aturan seleksi ini ditegakkan secara ketat; untuk anharmonik getaran, pita muncul, yang Dv> 1 (nada tambahan); intensitasnya biasanya rendah dan menurun dengan meningkatnya Dv. Mengayun. MS. (lebih tepatnya, vibrasi-rotasi) dipelajari menggunakan spektrometer IR dan spektrometer Fourier, dan spektrum Raman - menggunakan spektrograf bukaan tinggi (untuk wilayah yang terlihat) menggunakan eksitasi laser. Ketika D?el=0 dan D?count=0 diperoleh murni dapat diputar. spektrum, terdiri dari garis. Mereka diamati dalam spektrum serapan di wilayah IR jauh dan terutama di wilayah gelombang mikro, serta di spektrum Raman. Untuk diatomik, molekul triatomik linier, dan molekul nonlinier yang cukup simetris, garis-garis ini berjarak sama (pada skala frekuensi) satu sama lain.

Putar murni. MS. dipelajari dengan menggunakan spektrometer IR khusus. difraksi kisi-kisi (echelettes), spektrometer Fourier, spektrometer berdasarkan lampu gelombang mundur, spektrometer gelombang mikro (lihat SPEKTROSKOPI SUBMILLIMETER, SPEKTROSKOPI MICROWAVE), dan putar. Spektrum Raman - menggunakan spektrometer bukaan tinggi.

Metode spektroskopi molekuler, berdasarkan studi M. s., memungkinkan untuk memecahkan berbagai masalah kimia. Elektronik M. dengan. memberikan informasi tentang kulit elektron, tingkat energi tereksitasi dan karakteristiknya, tentang energi disosiasi molekul (dengan konvergensi tingkat energi ke batas disosiasi). Studi tentang fluktuasi. spektrum memungkinkan Anda untuk menemukan frekuensi getaran karakteristik yang sesuai dengan keberadaan dalam molekul jenis bahan kimia tertentu. ikatan (misalnya, ikatan C-C ganda dan rangkap tiga, ikatan C-H, N-H untuk molekul organik), mendefinisikan ruang. membedakan antara isomer cis dan trans (lihat ISOMERIA MOLEKUL). Terutama metode spektroskopi inframerah yang tersebar luas - salah satu optik paling efektif. metode untuk mempelajari struktur molekul. Mereka memberikan informasi yang paling lengkap dalam kombinasi dengan metode spektroskopi RAS. Putar penelitian. spektrum, serta rotasi. struktur elektronik dan osilasi. MS. memungkinkan menggunakan momen inersia molekul yang ditemukan dari pengalaman untuk menemukan dengan sangat akurat parameter konfigurasi kesetimbangan - panjang ikatan dan sudut ikatan. Untuk meningkatkan jumlah parameter yang akan ditentukan, spektrum isotop diperiksa. molekul (khususnya, molekul di mana hidrogen digantikan oleh deuterium) yang memiliki parameter konfigurasi kesetimbangan yang sama, tetapi terurai. momen inersia.

MS. juga digunakan dalam analisis spektral untuk menentukan komposisi Kepulauan.

• - kristal yang terbentuk dari molekul yang terikat satu sama lain oleh gaya van der Waals yang lemah atau ikatan hidrogen ...

  Ensiklopedia Fisik

• - dalam kimia kuantum, nama ekspresi integral, yang digunakan untuk menulis dalam bentuk matriks persamaan Schrödinger elektronik yang menentukan fungsi gelombang elektronik dari molekul multi-elektron ...

  Ensiklopedia Kimia

• - terbentuk dari jenuh valensi formal. molekul karena gaya interaksi antarmolekul...

  Ensiklopedia Kimia

• - dibentuk oleh molekul yang terikat oleh gaya van der Waals. Di dalam molekul, atom-atom dihubungkan oleh ikatan yang jauh lebih kuat...

  Ensiklopedia Kimia

• - representasi visual dari molekul org. dan inorg. senyawa, yang memungkinkan untuk menilai posisi relatif atom yang membentuk molekul ...

  Ensiklopedia Kimia

• - spektrum emisi dan penyerapan elektromagnet. radiasi dan kombinasi...

  Ensiklopedia Kimia

• - Lihat Terkait Sebagian...
• - kekuatan interaksi antara molekul, yang, tergantung pada kondisi eksternal, menentukan satu atau lain keadaan agregasi suatu zat dan sejumlah sifat fisik lainnya ...

  Kamus hidrogeologi dan geologi teknik

• - spektrum penyerapan optik, emisi dan hamburan cahaya Raman, yang timbul dari transisi molekul dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. MS. terdiri dari garis-garis yang kurang lebih lebar, gambar ...

  Kamus besar ensiklopedis politeknik

• - Artikelaktuatormotorbiologisbiologisnabiomedisbiopolimerpengiriman obatkininlaboratorium pada chip nanopartikel multifungsi...

  Kamus Ensiklopedis Nanoteknologi

• - optik emisi, penyerapan dan hamburan spektrum cahaya milik molekul bebas atau terikat lemah ...

  Ilmu pengetahuan Alam. kamus ensiklopedis

• - kesalahan metabolisme bawaan, penyakit yang disebabkan oleh gangguan metabolisme herediter. Istilah "M b." diusulkan oleh ahli kimia Amerika L. Pauling ...
• - kristal yang terbentuk dari molekul yang terikat satu sama lain oleh gaya van der Waals yang lemah atau ikatan hidrogen. Di dalam molekul antara atom ada ikatan kovalen yang lebih kuat ...

  Ensiklopedia Besar Soviet

• - spektrum optik emisi dan penyerapan, serta hamburan cahaya Raman, milik Molekul bebas atau terikat lemah. MS. memiliki struktur yang kompleks...

  Ensiklopedia Besar Soviet

• - spektrum optik emisi, penyerapan dan hamburan cahaya milik molekul bebas atau terikat lemah ...

  Kamus ensiklopedis besar

• - atau tindakan parsial...

SPEKTRA MOLEKULER- spektrum penyerapan, emisi atau hamburan yang timbul dari transisi kuantum molekul dari satu energi. negara bagian ke yang lain. MS. ditentukan oleh komposisi molekul, strukturnya, sifat kimianya. komunikasi dan interaksi dengan pihak luar medan (dan, akibatnya, dengan atom dan molekul di sekitarnya). Naib. karakteristiknya adalah M. s. gas molekuler yang dijernihkan, ketika tidak ada pelebaran garis spektral tekanan: spektrum seperti itu terdiri dari garis-garis sempit dengan lebar Doppler.

Beras. 1. Skema tingkat energi molekul diatomik: sebuah dan b-tingkat elektronik; kamu" dan kamu"" - berosilasi bilangan kuantum; J" dan J"" - kuantum rotasi angka.

Sesuai dengan tiga sistem tingkat energi dalam molekul - elektronik, vibrasi dan rotasi (Gbr. 1), M. s. terdiri dari satu set elektronik, bergetar. dan memutar. spektrum dan terletak di berbagai e-magn. gelombang - dari frekuensi radio hingga sinar-x. wilayah spektrum. Frekuensi transisi antara rotasi. tingkat energi biasanya jatuh ke daerah gelombang mikro (dalam skala bilangan gelombang 0,03-30 cm -1), frekuensi transisi antara osilasi. level - di wilayah IR (400-10.000 cm -1), dan frekuensi transisi antara level elektronik - di wilayah spektrum yang terlihat dan UV. Pembagian ini bersyarat, karena sering berputar. transisi juga jatuh ke wilayah IR, berosilasi. transisi - di wilayah yang terlihat, dan transisi elektronik - di wilayah IR. Biasanya, transisi elektronik disertai dengan perubahan getaran. energi molekul, dan saat bergetar. transisi berubah dan berputar. energi. Oleh karena itu, spektrum elektronik paling sering adalah sistem osilasi elektron. band, dan dengan resolusi tinggi dari peralatan spektral, rotasi mereka terdeteksi. struktur. Intensitas garis dan garis dalam M. s. ditentukan oleh probabilitas transisi kuantum yang sesuai. Naib. garis intens sesuai dengan transisi yang diizinkan aturan seleksi.K M. s. juga termasuk spektrum Auger dan sinar-X. spektrum molekul (tidak dipertimbangkan dalam artikel; lihat Efek Auger, spektroskopi Auger, spektrum sinar-X, spektroskopi sinar-X).

Spektrum elektronik. Murni elektronik M. s. muncul ketika energi elektronik molekul berubah, jika getaran tidak berubah. dan memutar. energi. Elektronik M. dengan. diamati baik dalam penyerapan (penyerapan spektrum) dan emisi (spektra luminescence). Selama transisi elektronik, arus listrik biasanya berubah. momen dipol molekul. Listrik transisi dipol antara keadaan elektronik dari molekul tipe G simetri " dan G "" (cm. Simetri molekul) diperbolehkan jika produk langsung " G "" mengandung jenis simetri dari setidaknya salah satu komponen vektor momen dipol d . Dalam spektrum serapan, transisi dari keadaan elektronik dasar (simetris total) ke keadaan elektronik tereksitasi biasanya diamati. Jelas, agar transisi seperti itu terjadi, jenis simetri keadaan tereksitasi dan momen dipol harus bertepatan. T. ke listrik Karena momen dipol tidak bergantung pada spin, maka spin harus kekal selama transisi elektronik, yaitu, hanya transisi antara keadaan dengan multiplisitas yang sama yang diperbolehkan (larangan antarkombinasi). Aturan ini, bagaimanapun, dilanggar

untuk molekul dengan interaksi spin-orbit yang kuat, yang mengarah ke transisi kuantum interkombinasi. Sebagai hasil dari transisi seperti itu, misalnya, spektrum fosforesensi muncul, yang sesuai dengan transisi dari keadaan triplet tereksitasi ke keadaan utama. negara tunggal.

Molekul dalam berbagai keadaan elektronik seringkali memiliki geom yang berbeda. simetri. Dalam kasus seperti itu, kondisi D " G "" G d harus dilakukan untuk grup titik dengan konfigurasi simetri rendah. Namun, saat menggunakan grup permutasi-inversi (PI), masalah ini tidak muncul, karena grup PI untuk semua status dapat dipilih sama.

Untuk molekul linier simetri Dengan hu tipe simetri momen dipol d=S + (dz)-P( dx , d y), oleh karena itu, hanya transisi S + - S +, S - - S -, P - P, dll. yang diizinkan untuk mereka dengan momen dipol transisi yang diarahkan sepanjang sumbu molekul, dan transisi S + - P, P - D , dll. dengan momen transisi yang diarahkan tegak lurus terhadap sumbu molekul (untuk penunjukan keadaan, lihat Art. Molekul).

Kemungkinan PADA listrik transisi dipol dari tingkat elektronik t ke tingkat elektronik P, dijumlahkan atas semua osilasi-rotasi. level level elektronik t, ditentukan oleh f-loy:

elemen matriks momen dipol untuk transisi n-m, kamu en dan kamu em- fungsi gelombang elektron. Koefisien integral. penyerapan, yang dapat diukur secara eksperimental, ditentukan oleh ekspresi

di mana N m- jumlah molekul di awal. sanggup m, v nm- frekuensi transisi tP. Seringkali transisi elektronik dicirikan oleh kekuatan osilator

di mana e dan t e adalah muatan dan massa elektron. Untuk transisi yang intens fnm ~ 1. Dari (1) dan (4) lih. keadaan tereksitasi seumur hidup:

F-ly ini juga berlaku untuk getaran. dan memutar. transisi (dalam hal ini, elemen matriks momen dipol harus didefinisikan ulang). Untuk transisi elektronik yang diizinkan, koefisiennya biasanya penyerapan untuk beberapa memesan lebih dari untuk berosilasi. dan memutar. transisi. Kadang-kadang koefisien penyerapan mencapai nilai ~10 3 -10 4 cm -1 atm -1, yaitu, pita elektron diamati pada tekanan yang sangat rendah (~10 -3 - 10 -4 mm Hg) dan ketebalan kecil (~10-100 cm) lapisan materi.

Spektrum getaran diamati ketika getaran berubah. energi (energi elektronik dan rotasi tidak boleh berubah). Getaran normal molekul biasanya direpresentasikan sebagai satu set harmonik yang tidak berinteraksi. osilator. Jika kita membatasi diri pada istilah linier dari ekspansi momen dipol d (dalam kasus spektrum serapan) atau polarisasi a (dalam kasus hamburan kombinasi) sepanjang koordinat normal Qk, maka getaran yang diperbolehkan. transisi dianggap hanya transisi dengan perubahan salah satu bilangan kuantum u k per unit. Transisi semacam itu sesuai dengan yang utama. berosilasi garis-garis, mereka berosilasi. spektrum maks. intens.

Utama berosilasi pita molekul poliatomik linier yang sesuai dengan transisi dari utama. berosilasi keadaan dapat terdiri dari dua jenis: pita paralel (||) yang sesuai dengan transisi dengan momen dipol transisi yang diarahkan sepanjang sumbu molekul, dan pita tegak lurus (1) yang sesuai dengan transisi dengan momen dipol transisi yang tegak lurus terhadap sumbu molekul. Strip paralel hanya terdiri dari R- dan R-cabang, dan dalam garis tegak lurus

diselesaikan juga Q-cabang (Gbr. 2). Spektrum utama pita serapan dari molekul atas simetris juga terdiri dari || dan | garis-garis, tetapi berputar. struktur pita ini (lihat di bawah) lebih kompleks; Q-cabang di || jalur juga tidak diperbolehkan. Fluktuasi yang diizinkan. garis-garis mewakili vk. Intensitas pita vk tergantung pada kuadrat turunan ( dd/dQ ke ) 2 atau ( d sebuah/ dQk) 2 . Jika pita sesuai dengan transisi dari keadaan tereksitasi ke yang lebih tinggi, maka itu disebut. panas.

Beras. 2. Pita penyerapan IR v 4 SF 6 molekul, diperoleh pada spektrometer Fourier dengan resolusi 0,04 cm -1 ; ceruk menunjukkan struktur halus garis R(39) diukur pada laser dioda spektrometer dengan resolusi 10 -4 cm -1.

Ketika memperhitungkan anharmonisitas osilasi dan istilah nonlinier dalam ekspansi d dan oleh Qk menjadi kemungkinan dan transisi dilarang oleh aturan pemilihan untuk u k. Transisi dengan perubahan salah satu bilangan u k pada 2, 3, 4, dll disebut. nada atas (Du k=2 - nada atas pertama, Du k\u003d 3 - nada tambahan kedua, dll.). Jika dua atau lebih bilangan berubah selama transisi k, maka transisi seperti itu disebut kombinasional atau total (jika semua u ke meningkat) dan perbedaan (jika beberapa dari u k mengurangi). Pita nada atas dilambangkan 2 vk, 3vk, ..., jumlah band vk + v l, 2vk + v l dll, dan perbedaan band vk - v l, 2vk - e l dll. Intensitas pita 2u k, vk + v l dan vk - v l bergantung pada turunan pertama dan kedua d pada Qk(atau oleh Qk) dan kubik. koefisien anharmonisitas kuat. energi; intensitas transisi yang lebih tinggi tergantung pada koefisien. tingkat dekomposisi yang lebih tinggi d(atau a) dan kuat. energi oleh Qk.

Untuk molekul yang tidak memiliki unsur simetri, semua getaran diperbolehkan. transisi baik dalam penyerapan energi eksitasi dan dalam kombinasi. hamburan cahaya. Untuk molekul dengan pusat inversi (misalnya, CO 2 , C 2 H 4 , dll.), transisi yang diizinkan dalam penyerapan dilarang untuk kombinasi. hamburan, dan sebaliknya (alternatif larangan). Transisi antara osilasi tingkat energi jenis simetri 1 dan 2 diperbolehkan dalam penyerapan jika produk langsung 1 2 mengandung jenis simetri momen dipol, dan diperbolehkan dalam kombinasi. hamburan jika produk 1

2 berisi jenis simetri dari tensor polarisabilitas. Aturan pemilihan ini merupakan perkiraan, karena tidak memperhitungkan interaksi getaran. gerakan dengan elektronik dan berputar. gerakan. Akuntansi untuk interaksi ini mengarah pada munculnya pita yang dilarang menurut osilasi murni. aturan seleksi.

Studi tentang fluktuasi. MS. memungkinkan Anda untuk mengatur harmonik. frekuensi osilasi, konstanta anharmonisitas. Menurut fluktuasi spektrum dilakukan konformasi. analisis

Kuliah #6

Energi molekul

atom disebut partikel terkecil dari suatu unsur kimia yang memiliki sifat kimianya.

Sebuah atom terdiri dari inti bermuatan positif dan elektron yang bergerak di bidangnya. Muatan inti sama dengan muatan semua elektron. Ion dari atom tertentu disebut partikel bermuatan listrik yang dibentuk oleh hilangnya atau perolehan elektron atom.

molekul disebut partikel terkecil dari zat homogen yang memiliki sifat kimia dasar.

Molekul terdiri dari atom identik atau berbeda yang dihubungkan oleh ikatan kimia interatomik.

Untuk memahami alasan mengapa atom netral secara elektrik dapat membentuk molekul yang stabil, kita akan membatasi diri pada mempertimbangkan molekul diatomik yang paling sederhana, yang terdiri dari dua atom yang identik atau berbeda.

Gaya yang menahan atom dalam molekul disebabkan oleh interaksi elektron terluar. Elektron kulit bagian dalam, ketika atom digabungkan menjadi molekul, tetap dalam keadaan yang sama.

Jika atom berada pada jarak yang sangat jauh satu sama lain, maka mereka tidak berinteraksi satu sama lain. Ketika atom-atom saling mendekat, gaya tarik-menarik timbal balik mereka meningkat. Pada jarak yang sebanding dengan ukuran atom, gaya tolak-menolak timbal balik muncul, yang tidak memungkinkan elektron dari satu atom menembus terlalu dalam ke kulit elektron atom lain.

Gaya tolak-menolak lebih "berjarak pendek" daripada gaya tarik menarik. Ini berarti bahwa semakin jauh jarak antar atom, gaya tolak-menolak berkurang lebih cepat daripada gaya tarik-menarik.

Grafik gaya tarik-menarik, gaya tolak-menolak dan gaya interaksi antar atom yang dihasilkan sebagai fungsi jarak berbentuk:

Energi interaksi elektron dalam suatu molekul ditentukan oleh susunan inti atom dan merupakan fungsi jarak, yaitu

Energi total seluruh molekul juga mencakup energi kinetik inti yang bergerak.

Akibatnya,

.

Ini berarti bahwa adalah energi potensial dari interaksi inti.

Kemudian mewakili kekuatan interaksi atom dalam molekul diatomik.

Dengan demikian, plot ketergantungan energi potensial interaksi atom dalam molekul pada jarak antar atom memiliki bentuk:

Jarak kesetimbangan antar atom dalam molekul disebut panjang ikatan. Nilai D disebut energi disosiasi molekul atau energi koneksi. Ini secara numerik sama dengan pekerjaan yang harus dilakukan untuk memutuskan ikatan kimia atom menjadi molekul dan menghilangkannya di luar aksi gaya antar atom. Energi disosiasi sama dengan energi yang dilepaskan selama pembentukan molekul, tetapi berlawanan tanda. Energi disosiasi adalah negatif, dan energi yang dilepaskan selama pembentukan molekul adalah positif.

Energi molekul tergantung pada sifat gerak inti. Gerakan ini dapat dibagi menjadi translasi, rotasi dan osilasi. Pada jarak kecil antara atom dalam molekul dan volume wadah yang cukup besar yang disediakan untuk molekul, energi translasi memiliki spektrum kontinu dan nilai rata-ratanya adalah .

Energi rotasi memiliki spektrum diskrit dan dapat mengambil nilai

,

di mana I adalah bilangan kuantum rotasi;

J adalah momen inersia molekul.

Energi gerak osilasi juga memiliki spektrum diskrit dan dapat mengambil nilai

,

di mana adalah bilangan kuantum vibrasi;

adalah frekuensi alami dari jenis getaran ini.

Pada , tingkat getaran terendah memiliki energi nol

Energi gerak rotasi dan translasi sesuai dengan bentuk energi kinetik, energi gerak osilasi - potensial. Oleh karena itu, langkah-langkah energi dari gerakan vibrasi molekul diatomik dapat direpresentasikan dalam plot ketergantungan.

Langkah-langkah energi dari gerakan rotasi molekul diatomik terletak serupa, hanya jarak di antara mereka yang jauh lebih kecil daripada langkah-langkah yang sama dari gerakan vibrasi.

Jenis utama ikatan interatomik

Ada dua jenis ikatan atom: ionik (atau heteropolar) dan kovalen (atau homeopolar).

Ikatan ionik terjadi ketika elektron dalam molekul diatur sedemikian rupa sehingga kelebihan terbentuk di dekat salah satu inti, dan kekurangannya di dekat yang lain. Jadi, molekul itu, seolah-olah, terdiri dari dua ion yang berlawanan tanda, saling tarik-menarik. Contoh molekul yang berikatan ionik adalah NaCl, KCl, RbF, CsJ dll. dibentuk oleh gabungan atom unsur Saya-oh dan VII-Kelompok sistem periodik Mendeleev. Dalam hal ini, sebuah atom yang telah mengikat satu atau lebih elektron ke dirinya sendiri memperoleh muatan negatif dan menjadi ion negatif, dan atom yang melepaskan jumlah elektron yang sesuai berubah menjadi ion positif. Jumlah total muatan positif dan negatif dari ion adalah nol. Oleh karena itu, molekul ion bersifat netral secara listrik. Kekuatan yang menjamin stabilitas molekul bersifat listrik.

Agar ikatan ion dapat diwujudkan, perlu bahwa energi pelepasan elektron, yaitu pekerjaan menciptakan ion positif, akan lebih kecil dari jumlah energi yang dilepaskan selama pembentukan ion negatif dan energi dari ketertarikan timbal balik mereka.

Sangat jelas bahwa pembentukan ion positif dari atom netral membutuhkan kerja paling sedikit jika terjadi pelepasan elektron yang terletak di kulit elektron yang mulai terbentuk.

Di sisi lain, energi terbesar dilepaskan ketika sebuah elektron terikat pada atom halogen, yang kekurangan satu elektron untuk mengisi kulit elektron. Oleh karena itu, ikatan ion terbentuk dalam transfer elektron yang mengarah pada penciptaan kulit elektron yang terisi dalam ion yang terbentuk.

Jenis koneksi lainnya adalah Ikatan kovalen.

Dalam pembentukan molekul yang terdiri dari atom-atom identik, kemunculan ion-ion yang bermuatan berlawanan tidak mungkin terjadi. Oleh karena itu, ikatan ion tidak mungkin terjadi. Namun, di alam ada zat yang molekulnya terbentuk dari atom yang identik. H2, O2, N2 dll. Ikatan pada zat jenis ini disebut kovalen atau homeopolar(homeo - berbeda [Yunani]). Selain itu, ikatan kovalen juga diamati pada molekul dengan atom yang berbeda: hidrogen fluorida HF, oksida nitrat TIDAK, metana CH 4 dll.

Sifat ikatan kovalen hanya dapat dijelaskan berdasarkan mekanika kuantum. Penjelasan mekanika kuantum didasarkan pada sifat gelombang elektron. Fungsi gelombang elektron terluar suatu atom tidak putus secara tiba-tiba dengan bertambahnya jarak dari pusat atom, tetapi berangsur-angsur berkurang. Ketika atom saling mendekat, awan elektron kabur dari elektron terluar sebagian tumpang tindih, yang menyebabkan deformasi mereka. Perhitungan akurat dari perubahan keadaan elektron membutuhkan penyelesaian persamaan gelombang Schrödinger untuk sistem semua partikel yang berpartisipasi dalam interaksi. Kompleksitas dan kerumitan jalan ini memaksa kita untuk membatasi diri di sini pada pertimbangan kualitatif fenomena.

Dalam kasus yang paling sederhana s- keadaan elektron, awan elektron adalah bola dengan radius tertentu. Jika kedua elektron dalam molekul kovalen dipertukarkan sehingga elektron 1 yang sebelumnya milik inti” sebuah", akan pindah ke tempat elektron 2, yang milik inti" b", dan elektron 2 akan melakukan transisi terbalik, maka tidak ada yang akan berubah dalam keadaan molekul kovalen.

Prinsip Pauli memungkinkan adanya dua elektron dalam keadaan yang sama dengan putaran yang berlawanan arah. Penggabungan daerah di mana kedua elektron dapat berarti penampilan di antara mereka dari mekanika kuantum khusus interaksi pertukaran. Dalam hal ini, masing-masing elektron dalam molekul dapat secara bergantian menjadi milik satu atau nukleus lainnya.

Seperti yang ditunjukkan oleh perhitungan, energi pertukaran molekul adalah positif jika spin elektron yang berinteraksi sejajar, dan negatif jika tidak paralel.

Jadi, jenis ikatan kovalen disediakan oleh sepasang elektron dengan spin yang berlawanan. Jika dalam komunikasi ionik itu tentang transfer elektron dari satu atom ke atom lain, maka di sini komunikasi dilakukan dengan menggeneralisasi elektron dan menciptakan ruang bersama untuk pergerakannya.

Spektrum molekul

Spektrum molekul sangat berbeda dengan spektrum atom. Sementara spektrum atom terdiri dari garis-garis tunggal, spektrum molekuler terdiri dari pita-pita yang tajam di satu ujung dan buram di ujung lainnya. Oleh karena itu, spektrum molekul juga disebut spektrum bergaris.

Pita dalam spektrum molekul diamati dalam rentang frekuensi inframerah, tampak dan ultraviolet dari gelombang elektromagnetik. Dalam hal ini, garis-garis disusun dalam urutan tertentu, membentuk serangkaian garis. Ada sejumlah seri dalam spektrum.

Mekanika kuantum memberikan penjelasan tentang sifat spektrum molekul. Interpretasi teoritis dari spektrum molekul poliatomik sangat rumit. Kami membatasi diri untuk hanya mempertimbangkan molekul diatomik.

Sebelumnya kami mencatat bahwa energi molekul tergantung pada sifat gerakan inti atom dan mengidentifikasi tiga jenis energi ini: translasi, rotasi dan vibrasi. Selain itu, energi suatu molekul juga ditentukan oleh sifat pergerakan elektron. Jenis energi ini disebut energi elektronik dan merupakan komponen dari energi total molekul.

Jadi, energi total molekul adalah:

Perubahan energi translasi tidak dapat menyebabkan munculnya garis spektral dalam spektrum molekul; oleh karena itu, kami akan mengecualikan jenis energi ini dalam pertimbangan lebih lanjut dari spektrum molekul. Kemudian

Menurut aturan frekuensi Bohr ( AKU AKU AKU- Postulat Bohr) frekuensi kuantum yang dipancarkan oleh molekul ketika keadaan energinya berubah sama dengan

.

Pengalaman dan studi teoritis telah menunjukkan bahwa

Oleh karena itu, dengan eksitasi lemah, hanya perubahan , dengan lebih kuat - , dengan lebih kuat - . Mari kita bahas lebih detail berbagai jenis spektrum molekul.

Spektrum rotasi molekul

Mari kita mulai menyelidiki penyerapan gelombang elektromagnetik dari sebagian kecil energi. Sampai nilai kuantum energi menjadi sama dengan jarak antara dua tingkat terdekat, molekul tidak akan menyerap. Secara bertahap meningkatkan frekuensi, kita akan mencapai kuanta yang mampu mengangkat molekul dari satu langkah rotasi ke langkah lainnya. Hal ini terjadi pada daerah gelombang infra merah dengan orde 0,1 -1 mm.

,

di mana dan adalah nilai bilangan kuantum rotasi pada tingkat energi -th dan -th.

Bilangan kuantum rotasi dan dapat memiliki nilai, mis. kemungkinan perubahannya dibatasi oleh aturan pemilihan

Penyerapan kuantum oleh molekul memindahkannya dari satu tingkat energi rotasi ke tingkat energi rotasi lainnya, yang lebih tinggi, dan mengarah pada munculnya garis spektral dari spektrum penyerapan rotasi. Ketika panjang gelombang berkurang (yaitu, jumlahnya berubah), semakin banyak garis spektrum serapan baru muncul di wilayah ini. Totalitas semua garis memberikan gambaran tentang distribusi keadaan energi rotasi molekul.

Sejauh ini kita telah mempertimbangkan spektrum absorpsi suatu molekul. Spektrum emisi molekul juga dimungkinkan. Munculnya garis-garis spektrum emisi rotasi dikaitkan dengan transisi molekul dari tingkat energi rotasi atas ke tingkat energi yang lebih rendah.

Spektrum rotasi memungkinkan untuk menentukan jarak antar atom dalam molekul sederhana dengan akurasi tinggi. Mengetahui momen inersia dan massa atom, dimungkinkan untuk menentukan jarak antar atom. Untuk molekul diatomik

Spektrum getaran-rotasi molekul

Penyerapan oleh suatu zat gelombang elektromagnetik di daerah inframerah dengan panjang gelombang mikron menyebabkan transisi antara tingkat energi getaran dan menyebabkan munculnya spektrum getaran molekul. Namun, ketika tingkat energi vibrasi suatu molekul berubah, keadaan energi rotasinya juga berubah secara bersamaan. Transisi antara dua tingkat energi vibrasi disertai dengan perubahan status energi rotasi. Dalam hal ini, spektrum getaran-rotasi molekul muncul.

Jika sebuah molekul berosilasi dan berotasi pada saat yang sama, maka energinya akan ditentukan oleh dua bilangan kuantum dan:

.

Dengan mempertimbangkan aturan pemilihan untuk kedua bilangan kuantum, kami memperoleh rumus berikut untuk frekuensi spektrum getaran-rotasi (rumus sebelumnya /h dan membuang tingkat energi sebelumnya, yaitu, istilah dalam tanda kurung):

.

Dalam hal ini, tanda (+) sesuai dengan transisi dari tingkat rotasi yang lebih rendah ke tingkat yang lebih tinggi, dan tanda (-) sesuai dengan posisi sebaliknya. Bagian vibrasi dari frekuensi menentukan wilayah spektral di mana pita itu berada; bagian rotasi menentukan struktur halus strip, mis. pemisahan garis spektral individu.

Menurut konsep klasik, rotasi atau getaran molekul diatomik dapat menyebabkan emisi gelombang elektromagnetik hanya jika molekul tersebut memiliki momen dipol yang tidak nol. Kondisi ini hanya dipenuhi untuk molekul yang dibentuk oleh dua atom yang berbeda, yaitu. untuk molekul yang tidak simetris.

Molekul simetris yang dibentuk oleh atom identik memiliki momen dipol sama dengan nol. Oleh karena itu, menurut elektrodinamika klasik, getaran dan rotasi molekul semacam itu tidak dapat menyebabkan radiasi. Teori kuantum mengarah pada hasil yang serupa.

Spektrum getaran elektronik molekul

Penyerapan gelombang elektromagnetik dalam rentang tampak dan ultraviolet menyebabkan transisi molekul antara tingkat energi elektronik yang berbeda, mis. dengan munculnya spektrum elektronik molekul. Setiap tingkat energi elektronik sesuai dengan distribusi spasial elektron tertentu, atau, seperti yang mereka katakan, konfigurasi elektron tertentu, yang memiliki energi diskrit. Setiap konfigurasi elektron sesuai dengan satu set tingkat energi getaran.

Transisi antara dua level elektronik disertai dengan banyak transisi yang menyertai antara level vibrasi. Ini adalah bagaimana spektrum elektronik-getaran molekul muncul, yang terdiri dari kelompok garis dekat.

Sebuah sistem tingkat rotasi ditumpangkan pada setiap keadaan energi vibrasi. Oleh karena itu, frekuensi foton selama transisi elektronik-getaran akan ditentukan oleh perubahan ketiga jenis energi:

.

Frekuensi - menentukan posisi spektrum.

Seluruh spektrum elektronik-getaran adalah sistem dari beberapa kelompok pita, sering tumpang tindih satu sama lain dan membentuk pita lebar.

Studi dan interpretasi spektrum molekul memungkinkan Anda untuk memahami struktur molekul yang terperinci dan banyak digunakan untuk analisis kimia.

Hamburan cahaya Raman

Fenomena ini terdiri dari fakta bahwa dalam spektrum hamburan yang terjadi ketika cahaya melewati gas, cairan atau benda kristal transparan, bersama dengan hamburan cahaya dengan frekuensi konstan, sejumlah frekuensi yang lebih tinggi atau lebih rendah muncul, sesuai dengan frekuensi getaran atau frekuensi. transisi rotasi yang menyebarkan molekul.

Fenomena hamburan Raman memiliki penjelasan mekanika kuantum sederhana. Proses hamburan cahaya oleh molekul dapat dianggap sebagai tumbukan tidak elastis antara foton dengan molekul. Ketika bertabrakan, foton dapat memberi atau menerima dari molekul hanya sejumlah energi yang sama dengan perbedaan antara dua tingkat energinya. Jika, pada tumbukan dengan foton, sebuah molekul berpindah dari keadaan dengan energi lebih rendah ke keadaan dengan energi lebih tinggi, maka ia kehilangan energinya dan frekuensinya berkurang. Ini menciptakan garis dalam spektrum molekul, bergeser relatif terhadap garis utama menuju panjang gelombang yang lebih panjang. Jika, setelah tumbukan dengan foton, sebuah molekul berpindah dari keadaan dengan energi yang lebih tinggi ke keadaan dengan energi yang lebih rendah, sebuah garis dibuat dalam spektrum yang digeser relatif terhadap yang utama menuju panjang gelombang yang lebih pendek.

Studi tentang hamburan Raman memberikan informasi tentang struktur molekul. Dengan menggunakan metode ini, frekuensi getaran alami molekul dapat ditentukan dengan mudah dan cepat. Ini juga memungkinkan seseorang untuk menilai sifat simetri molekul.

Pendaran

Jika molekul suatu zat dapat dibawa ke keadaan tereksitasi tanpa meningkatkan energi kinetik rata-ratanya, mis. tanpa pemanasan, maka ada pancaran benda-benda tersebut atau pendaran.

Ada dua jenis luminescence: fluoresensi dan pendar.

Fluoresensi disebut luminescence, segera berhenti setelah akhir aksi exciter of the glow.

Selama fluoresensi, transisi spontan molekul dari keadaan tereksitasi ke tingkat yang lebih rendah terjadi. Jenis cahaya ini memiliki durasi yang sangat singkat (sekitar 10 -7 detik).

Pendar disebut luminescence, yang tetap bercahaya untuk waktu yang lama setelah aksi agen penyebab luminescence.

Selama fosforesensi, molekul berpindah dari keadaan tereksitasi ke keadaan metastabil. Metastabil tingkat disebut, transisi dari mana ke tingkat yang lebih rendah tidak mungkin. Dalam hal ini, radiasi dapat terjadi jika molekul kembali ke tingkat tereksitasi lagi.

Transisi dari keadaan metastabil ke keadaan tereksitasi hanya mungkin dengan adanya eksitasi tambahan. Suhu zat bisa menjadi penguat tambahan. Pada suhu tinggi transisi ini terjadi dengan cepat, pada suhu rendah berlangsung lambat.

Seperti yang telah kita catat, pendaran di bawah aksi cahaya disebut fotoluminesensi, di bawah pengaruh pemboman elektron - katodoluminesensi, di bawah aksi medan listrik - elektroluminesensi, di bawah pengaruh transformasi kimia - chemiluminescence.

Penguat kuantum dan generator radiasi

Pada pertengahan 1950-an, perkembangan pesat elektronika kuantum dimulai. Pada tahun 1954, karya-karya akademisi N.G. Basov dan A.M. Prokhorov, yang menggambarkan generator kuantum gelombang radio ultrapendek dalam kisaran sentimeter, disebut tukang pijat(amplifikasi microware dengan emisi radiasi terstimulasi). Serangkaian generator dan penguat cahaya di daerah yang terlihat dan inframerah, yang muncul pada tahun 60-an, disebut generator kuantum optik atau laser(Light Amplifikasi oleh Merangsang Emisi Radiasi).

Kedua jenis perangkat ini bekerja berdasarkan efek radiasi yang dirangsang atau diinduksi.

Mari kita membahas jenis radiasi ini secara lebih rinci.

Jenis radiasi ini merupakan hasil interaksi gelombang elektromagnetik dengan atom-atom zat yang dilalui gelombang tersebut.

Dalam atom, transisi dari tingkat energi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah dilakukan secara spontan (atau spontan). Namun, di bawah aksi radiasi insiden, transisi semacam itu dimungkinkan baik di depan maupun di arah sebaliknya. Transisi ini disebut dipaksa atau diinduksi. Dalam transisi paksa dari salah satu tingkat tereksitasi ke tingkat energi rendah, sebuah foton dipancarkan oleh atom, tambahan ke foton di mana transisi dibuat.

Dalam hal ini, arah rambat foton ini dan, akibatnya, seluruh radiasi terstimulasi bertepatan dengan arah rambat radiasi eksternal yang menyebabkan transisi, yaitu. emisi terstimulasi sangat koheren dengan emisi terstimulasi.

Jadi, foton baru yang dihasilkan dari emisi terstimulasi memperkuat cahaya yang melewati medium. Namun, bersamaan dengan emisi induksi, proses penyerapan cahaya terjadi, karena foton radiasi rangsang diserap oleh atom pada tingkat energi yang rendah, sedangkan atom pergi ke tingkat energi yang lebih tinggi. dan

Proses pemindahan medium ke keadaan terbalik disebut dipompa media penguat. Ada banyak metode untuk memompa media penguat. Yang paling sederhana adalah pemompaan optik medium, di mana atom dipindahkan dari tingkat yang lebih rendah ke tingkat tereksitasi atas dengan menyinari cahaya dengan frekuensi sedemikian rupa sehingga .

Dalam medium dengan keadaan terbalik, emisi terstimulasi melebihi penyerapan cahaya oleh atom, akibatnya berkas cahaya yang datang akan diperkuat.

Pertimbangkan perangkat yang menggunakan media tersebut, digunakan sebagai generator gelombang dalam jangkauan optik atau laser.

Bagian utamanya adalah kristal ruby ​​​​buatan, yang merupakan aluminium oksida di mana beberapa atom aluminium digantikan oleh atom kromium. Ketika kristal ruby ​​​​disinari dengan cahaya dengan panjang gelombang 5600, ion kromium berpindah ke tingkat energi atas.

Transisi terbalik ke keadaan dasar terjadi dalam dua tahap. Pada tahap pertama, ion tereksitasi menyerahkan sebagian energinya ke kisi kristal dan beralih ke keadaan metastabil. Pada tingkat ini, ion lebih panjang daripada di atas. Akibatnya, keadaan terbalik dari tingkat metastabil tercapai.

Batu rubi yang digunakan dalam laser berbentuk batang dengan diameter 0,5 cm dan panjang 4-5 cm. Seluruh batang rubi terletak di dekat tabung elektron berdenyut, yang digunakan untuk memompa medium secara optik. Foton yang arah geraknya membentuk sudut kecil dengan sumbu ruby ​​mengalami pemantulan ganda dari ujungnya.

Oleh karena itu, jalur mereka dalam kristal akan sangat panjang, dan kaskade foton ke arah ini akan paling berkembang.

Foton yang dipancarkan secara spontan ke arah lain keluar dari kristal melalui permukaan sampingnya tanpa menyebabkan radiasi lebih lanjut.

Ketika sinar aksial menjadi cukup kuat, sebagian darinya muncul melalui ujung kristal yang tembus cahaya ke luar.

Sejumlah besar panas dilepaskan di dalam kristal. Karena itu, harus didinginkan secara intensif.

Radiasi laser memiliki sejumlah fitur. Hal ini ditandai dengan:

1. koherensi temporal dan spasial;

2. monokromatisitas yang ketat;

3. kekuatan besar;

4. kesempitan balok.

Koherensi radiasi yang tinggi membuka prospek luas untuk penggunaan laser untuk komunikasi radio, khususnya, untuk komunikasi radio terarah di ruang angkasa. Jika sebuah cara dapat ditemukan untuk memodulasi dan mendemodulasi cahaya, akan memungkinkan untuk mengirimkan sejumlah besar informasi. Jadi, dalam hal jumlah informasi yang dikirimkan, satu laser dapat menggantikan seluruh sistem komunikasi antara pantai timur dan barat Amerika Serikat.

Lebar sudut sinar laser sangat kecil sehingga, dengan menggunakan pemfokusan teleskopik, titik cahaya dengan diameter 3 km dapat diperoleh di permukaan bulan. Daya tinggi dan sempitnya berkas sinar memungkinkan, saat memfokuskan dengan lensa, untuk memperoleh kerapatan fluks energi 1000 kali lebih tinggi daripada kerapatan fluks energi yang dapat diperoleh dengan memfokuskan sinar matahari. Sinar cahaya tersebut dapat digunakan untuk permesinan dan pengelasan, untuk mempengaruhi jalannya reaksi kimia, dll.

Hal di atas jauh dari menguras semua kemungkinan laser. Ini adalah jenis sumber cahaya yang benar-benar baru dan masih sulit untuk membayangkan semua kemungkinan area penerapannya.