分子スペクトル表。分子スペクトル

原子スペクトルは個々の線で構成されていますが、分子スペクトルは、平均的な分解パワーデバイスで観察すると、で構成されているように見えます（空気中のグロー放電で得られたスペクトルの一部を示す図40.1を参照）。

高解像度デバイスを使用すると、バンドが多数の近接した線で構成されていることがわかります（窒素分子のスペクトルのバンドの1つの微細構造を示す図40.2を参照）。

それらの性質に従って、分子のスペクトルはストリップスペクトルと呼ばれます。分子による光子の放出を引き起こすエネルギー変化のタイプ（電子、振動、または回転）に応じて、1）回転、2）振動-回転、および3）電子-振動の3つのタイプのバンドがあります。図の縞模様。 40.1は電子振動タイプに属します。このタイプのストライプは、ストリップのエッジと呼ばれる鋭いエッジの存在によって特徴付けられます。そのようなストリップのもう一方の端はぼやけていることがわかります。カントは、ストリップを形成する線の太さによって引き起こされます。回転および振動-回転バンドにはエッジがありません。

二原子分子の回転および振動-回転スペクトルを考慮することに限定します。このような分子のエネルギーは、電子エネルギー、振動エネルギー、回転エネルギーで構成されています（式（39.6）を参照）。分子の基底状態では、3つのタイプのエネルギーすべてに最小値があります。分子に十分な量のエネルギーが与えられると、分子は励起状態に移行し、選択規則で許可されている低エネルギー状態の1つに遷移して、光子を放出します。

（分子の電子配置が異なると、との両方が異なることに注意する必要があります）。

前の段落で、次のように述べられました

したがって、弱い励起では、強い励起でのみ変化します。さらに強い励起でのみ、分子の電子配置が変化します。

回転ストライプ。最も低いエネルギーは、ある回転状態から別の回転状態への分子の遷移に対応する光子によって所有されます（この場合、電子配置と振動エネルギーは変化しません）。

量子数の可能な変更は、選択規則（39.5）によって制限されます。したがって、回転レベルによるメレドゥ遷移中に放出される線の周波数は、次の値を持つことができます。

ここで、は遷移が行われるレベルの量子数（0、1、2、...の値を持つことができます）、および

図では。図40.3に回転帯の発生図を示します。

回転スペクトルは、非常に遠い赤外線領域にある一連の等間隔の線で構成されています。線の間の距離を測定することにより、定数（40.1）を決定し、分子の慣性モーメントを見つけることができます。次に、原子核の質量がわかれば、二原子分子内の原子核間の平衡距離を計算できます。

嘘の線の間の距離は次数のオーダーであるため、分子の慣性モーメントについては、次数の値が取得されます。たとえば、対応する分子の場合です。

振動-回転バンド。遷移中に分子の振動状態と回転状態の両方が変化した場合（図40.4）、放出された光子のエネルギーは次のようになります。

量子数vの場合、選択規則（39.3）が適用され、Jの場合、規則（39.5）が適用されます。

光子の放出は、でだけでなくで観察できるので。光子周波数が式によって決定される場合

ここで、Jは下位レベルの回転量子数であり、次の値をとることができます：0、1、2、; Bは数量（40.1）です。

光子周波数の式が次の形式の場合

ここで、は下位レベルの回転量子数であり、次の値をとることができます：1、2、...（この場合、Jは-1に等しいため、値を0にすることはできません）。

どちらの場合も、1つの式でカバーできます。

この式によって決定される周波数を持つ線のセットは、振動-回転バンドと呼ばれます。周波数の振動部分は、バンドが配置されているスペクトル領域を決定します。回転部分は、ストリップの微細構造、つまり個々の線の分割を決定します。振動-回転バンドが位置する領域は、約8000〜50,000Aに及びます。

図から 40.4振動-回転バンドは、バンドの中央でのみ間隔を置いて配置された線に対して対称のセットで構成されており、周波数の線が発生しないため、距離は2倍になります。

振動-回転バンドの構成要素間の距離は、回転バンドの場合と同じ関係で分子の慣性モーメントに関係しているため、この距離を測定することにより、分子の慣性モーメントを見つけることができます。分子。

理論の結論に完全に従って、回転および振動-回転スペクトルは、非対称二原子分子（つまり、2つの異なる原子によって形成された分子）についてのみ実験的に観察されることに注意してください。対称分子では、双極子モーメントがゼロであるため、回転および振動-回転遷移が禁止されます。振動電子スペクトルは、非対称分子と対称分子の両方で観察されます。

分子スペクトル、発光および吸収スペクトル、および ラマン散乱, 無料または疎結合が所有 分子. MS。複雑な構造をしています。典型的なM.s。 -縞模様で、発光と吸収、およびラマン散乱で、紫外、可視、および近赤外領域の多かれ少なかれ狭いバンドのセットの形で観察されます。これらは、セットに使用されるスペクトル機器の十分な分解能で減衰します。間隔の狭い線の。 M.sの特定の構造。は分子ごとに異なり、一般的に言えば、分子内の原子数が増えると複雑になります。非常に複雑な分子の場合、可視スペクトルと紫外線スペクトルは、いくつかの広い連続バンドで構成されます。そのような分子のスペクトルは互いに類似しています。

MS。次の場合に発生します 量子遷移 の間に エネルギーレベル E' と E''比率に応じた分子

h n = E‘ - E‘’, (1)

どこ h nは吸収された放出のエネルギーです光子頻度n（ h -プランク定数 ). ラマン散乱あり h nは、入射光子と散乱光子のエネルギーの差に等しくなります。 MS。線形原子スペクトルよりもはるかに複雑です。線形原子スペクトルは、原子よりも分子の内部運動の複雑さによって決まります。 2つ以上の原子核に対する電子の動きに加えて、分子全体の平衡位置と回転運動に関する原子核の振動運動（周囲の内部電子と一緒に）が分子内で発生します。これらの3種類の運動（電子、振動、回転）は、3種類のエネルギーレベルと3種類のスペクトルに対応しています。

量子力学によれば、分子内のすべての種類の運動のエネルギーは、特定の値のみを取ることができます。つまり、量子化されます。分子の総エネルギー Eその運動の3つのタイプのエネルギーの量子化された値の合計としておおよそ表すことができます：

E = Eメール+ Eカウント+ E回転する（2）

大きさの順に

どこ mは電子の質量であり、量は M分子内の原子核の質量のオーダーを持ちます。んん〜10 -3 -10 -5、したがって：

Eメール>> Eカウント>> E回転する（4）

いつもの E数個のオーダーのメール ev（数百 kJ / mol)、Eカウント〜10 -2 -10 -1 ev、E回転〜10 -5 -10 -3 ev。

（4）によれば、分子のエネルギー準位のシステムは、互いに遠く離れた電子準位のセットによって特徴付けられます（異なる値 Eでメール Eカウント= E回転= 0）、振動レベル（異なる値）に位置する互いにはるかに近い E与えられたものを数える E土地 E回転= 0）およびさらに狭い間隔の回転レベル（異なる値 E与えられた回転 Eメールと Eカウント）。

電子エネルギーレベル（ E（2）のelは、分子の平衡配置に対応します（二原子分子の場合、平衡値によって特徴付けられます）。 r 0核間距離 r。各電子状態は、特定の平衡構成と特定の値に対応します E Eメール; 最も低い値は主エネルギーレベルに対応します。

分子の電子状態のセットは、その電子殻の特性によって決定されます。基本的に値 E elはメソッドで計算できます 量子化学, ただし、この問題は、近似法を使用して、比較的単純な分子に対してのみ解決できます。分子の電子レベル（エネルギーの電子レベルの配置とその特性）に関する最も重要な情報は、その化学構造によって決定され、M。sによって研究されて得られます。

与えられた電子エネルギーレベルの非常に重要な特性は値です 量子数 S、分子のすべての電子の全スピンモーメントの絶対値を特徴づける。化学的安定性のある分子は、原則として偶数の電子を持っており、それらの分子にとっては S= 0、1、2 ...（メインの電子レベルの場合、標準値 S= 0、および励起されたものの場合- S= 0および S= 1）。とのレベル S= 0はシングレットと呼ばれ、 S= 1-トリプレット（分子内の相互作用により、c = 2に分割されるため） S+ 1 = 3つのサブレベル） ..。とフリーラジカル 原則として、それらのために奇数の電子を持っています S= 1 / 2、3 / 2、...そして値は地面と励起レベルの両方で典型的です S= 1/2（ダブレットレベル、c = 2サブレベルに分割）。

平衡配置が対称である分子の場合、電子レベルをさらに分類できます。すべての原子の核を通過する対称軸（無限次数）を持つ二原子および線形三原子分子の場合 , 電子レベルは、分子の軸へのすべての電子の全軌道角運動量の投影の絶対値を決定する量子数lの値によって特徴付けられます。 l = 0、1、2、...のレベルは、それぞれS、P、D ...で示され、値cは、左上のインデックスで示されます（たとえば、3 S、2 p、 ...）。対称中心を持つ分子の場合、たとえばCO2とC6 H 6 , すべての電子レベルは、インデックスで示される偶数と奇数に分けられます gと u（波動関数が対称の中心で反転するときにその符号を保持するか、それを変更するかによって異なります）。

振動エネルギーレベル（値 E count）は、振動運動を量子化することによって見つけることができます。これは、ほぼ調和と見なされます。二原子分子の最も単純なケース（核間距離の変化に対応する1つの振動自由度） r）高調波と見なされます オシレーター; その量子化により、等間隔のエネルギーレベルが得られます。

Eカウント= h n e（u +1/2）、（5）

ここで、n eは分子の調和振動の基本周波数、uは0、1、2、...の値をとる振動量子数です。 N原子（ N³3）そして持っている f振動の自由度（ f = 3N-5および f = 3N-線形分子と非線形分子の場合はそれぞれ6）、 f t。n。周波数ni（私 = 1, 2, 3, ..., f）および振動レベルの複雑なシステム：

どこ u i = 0、1、2、...は対応する振動量子数です。基底電子状態における通常の振動の周波数のセットは、その化学構造に応じて、分子の非常に重要な特性です。分子のすべての原子またはそれらの一部は、特定の通常の振動に関与します。この場合の原子は、1つの周波数で調和振動を実行します v iですが、振動の形状を決定する振幅が異なります。通常の振動は、その形状に応じて、伸縮（結合線の長さが変化する）と変形（化学結合間の角度が変化する-結合角）に分けられます。低対称性（2より高い次数の対称軸を持たない）の分子の異なる振動周波数の数は2であり、すべての振動は非縮退であり、より対称的な分子の場合、2重および3重の縮退振動（周波数が一致します）。たとえば、非線形三原子分子H 2 Oの場合 f= 3および3つの非縮退振動が可能です（2つの伸縮と1つの曲げ）。より対称的な線形三原子CO2分子は f= 4- 2つの非縮退振動（伸縮）と1つの二重縮退（変形）。平面の対称性の高いC6 H 6分子の場合、次のようになります。 f= 30-10個の非縮退振動と10回の二重縮退振動。これらのうち、14個の振動が分子の平面で発生し（8個の伸縮振動と6個の変形振動）、6個の面外曲げ振動（この平面に垂直）が発生します。さらに対称な四面体分子CH4は f = 9-1つの非縮退振動（伸縮）、1つの二重縮退（変形）、および2つの3回縮退（1つの伸縮と1つの変形）。

回転エネルギーレベルは、分子の回転運動を定量化することによって見つけることができます。 慣性モーメント. 二原子または線形多原子分子の最も単純なケースでは、その回転エネルギーは

どこ私は、分子の軸に垂直な軸の周りの分子の慣性モーメントであり、 M勢いの瞬間です。量子化の規則によれば、

ここで、回転量子数 J= 0、1、2、...、したがって、 E回転が得られました：

ここで、回転定数はエネルギー準位間の距離のスケールを決定します。これは、核の質量と核間の距離の増加とともに減少します。

M.のさまざまな種類のページ。分子のエネルギー準位間のさまざまなタイプの遷移で発生します。（1）と（2）によると

D E = E‘ - E‘’ = D E el + D Eカウント+ D E回転、（8）

変更点D Eエル、D EカウントとD E電子、振動、回転エネルギーの回転は、次の条件を満たす。

D E e >> D Eカウント>> D E回転（9）

[レベル間の距離は、エネルギー自体と同じオーダーです E Eメール、 E olと E条件（4）を満たす回転]。

Dのとき E e¹0、可視および紫外線（UV）領域で観察される電子顕微鏡が得られます。通常Dで E el¹0同時にD E¹0とDを数える E回転¹0; 別のD E与えられたDの数 E elは異なる振動バンドに対応し、異なるD E与えられたDの回転 EエルとD E count-このバンドが分割される個々の回転線。特徴的な縞模様が得られます。

N2分子の電子振動バンド3805の回転分裂

与えられたDを持つバンドのセット E el（周波数のある純粋な電子遷移に対応 v el = D E e / h）ストライプのシステムと呼ばれます。個々のバンドは、量子力学的方法で近似的に計算できる相対遷移確率に応じて異なる強度を持ちます。複雑な分子の場合、特定の電子遷移に対応する1つのシステムのバンドは、通常、1つの広い連続バンドにマージされ、そのようないくつかの広いバンドもオーバーラップする可能性があります。典型的な離散電子スペクトルは、有機化合物の凍結溶液で観察されます . 電子（より正確には、電子-振動-回転）スペクトルは、ガラス（可視領域用）および石英（UV領域用）光学系を備えた分光器および分光計を使用して実験的に研究され、プリズムまたは回折格子を使用して光をスペクトラム .

Dのとき E el = 0、およびD Eカウント¹0、振動M. sが得られ、近くで観察されます（数個まで） ミクロン）および途中（数十まで） ミクロン）赤外線（IR）領域、通常は吸収、および光のラマン散乱。原則として、同時にD E回転¹0および与えられた Eカウントすると、振動バンドが得られ、それが別々の回転線に分割されます。振動M.ページで最も集中的。 Dに対応するバンド u = u’ - u'' = 1（多原子分子の場合-D u i = u私 '- u i '' = 1 at D u k = u k’- u k '' = 0、ここで k¹i）。

純粋に調和した振動の場合、これらは 選択規則, 他の遷移を禁止することは厳密に実行されます。非調和振動の場合、Dが現れるバンドが表示されます u> 1（倍音）; それらの強度は通常低く、Dの増加とともに減少します u.

振動（より正確には、振動-回転）スペクトルは、IR放射を透過するプリズムを備えたIR分光計、または回折格子を備えたIR分光計、および高開口分光器を使用したフーリエ分光計とラマン散乱を使用して、吸収中のIR領域で実験的に研究されます（可視領域の場合）レーザー励起を使用します。

Dのとき E el = 0およびD E count = 0、別々の線で構成される純粋な回転M.s。が得られます。それらは遠方（数百）での吸収で観察されます ミクロン）IR領域、特にマイクロ波領域、およびラマンスペクトル。二原子および線形多原子分子（および十分に対称な非線形多原子分子）の場合、これらの線は、間隔Dn = 2で互いに等間隔（周波数スケール）になります。 B吸収スペクトルおよびDn = 4 Bラマンスペクトルで。

純粋な回転スペクトルは、マイクロ波（マイクロ波）分光計を使用したマイクロ波領域で、特殊な回折格子（エシェレット）を備えたIR分光計とフーリエ分光計を使用して遠赤外線領域での吸収で研究されます , また、高口径分光器を使用したラマン散乱でも。

微生物の研究に基づく分子分光法は、化学、生物学、その他の科学のさまざまな問題を解決することを可能にします（たとえば、石油製品、高分子物質などの組成を決定するため）。 M.sによる化学で。分子の構造を研究します。電子M.s。分子の電子シェルに関する情報を取得し、励起レベルとその特性を決定し、分子の解離エネルギーを見つけることを可能にします（分子の振動レベルが解離境界に収束することによって）。振動M.の研究。分子内の特定の種類の化学結合（たとえば、有機分子の単純な二重および三重C-C結合、C-H、N-H、O-H結合）、さまざまな原子グループ（たとえば、CH 2、 CH 3、NH 2）、分子の空間構造を決定し、シス異性体とトランス異性体を区別します。このために、赤外線吸収スペクトル（IR）とラマンスペクトル（Raman）の両方が使用されます。 IRS法は、分子の構造を研究するための最も効果的な光学的方法の1つとして特に普及しています。彼はTFR法と組み合わせて最も完全な情報を提供します。回転分子ダイナミクス、および電子スペクトルと振動スペクトルの回転構造を調べることで、実験的に見つかった分子の慣性モーメントの値を使用できます[回転定数の値から取得されます。（7）を参照]。分子の平衡構成のパラメーター（結合長と結合角）を非常に正確に（たとえば、H 2 Oなどのより単純な分子の場合）見つけることができます。決定されるパラメーターの数を増やすために、同位体分子（特に、水素が重水素に置き換えられている）のスペクトルが調査されます。これらの分子は、平衡構成のパラメーターは同じですが、慣性モーメントが異なります。

M.withのアプリケーションの例として。分子の化学構造を決定するために、ベンゼン分子C 6 H6を検討します。 M.の研究。モデルの正しさを確認します。これによると、分子は平坦であり、ベンゼン環の6つのCC結合はすべて同等であり、分子の対称中心を垂直に通過する6次対称軸を持つ正六角形を形成します。飛行機。電子M.s。吸収C6 H 6は、基底の偶数一重項レベルから励起された奇数レベルへの遷移に対応するバンドのいくつかのシステムで構成され、最初のレベルは三重項であり、より高いものは一重項です。ストライプの最も激しいシステムは1840年にあります（ E 5 - E 1 = 7,0 ev）、ストライプの最も弱いシステムは領域3400（ E 2 - E 1 = 3,8ev), 一重項-三重項遷移に対応します。これは、全スピンの近似選択規則によって禁止されています。遷移は、いわゆる励起に対応します。ベンゼン環全体に非局在化したp電子 ; 電子分子スペクトルから得られたレベル図は、おおよその量子力学的計算と一致しています。振動M.c。 C 6 H 6は、分子内の対称中心の存在に対応します。IRに現れる（アクティブな）振動周波数はSCRにはない（非アクティブ）、またはその逆です（いわゆる代替禁止）。 20個の通常のC6 H 6振動のうち、4個はIRSでアクティブで、7個はTFRでアクティブであり、残りの11個はIRSとTFRの両方で非アクティブです。測定された周波数の値（ cm -1): 673、1038、1486、3080（IKS内）および607、850、992、1178、1596、3047、3062（TFR内）。周波数673と850は非平面振動に対応し、他のすべての周波数は平面振動に対応します。平面振動に特に特徴的なのは、周波数992（ベンゼン環の周期的な圧縮と伸長からなるCC結合の伸縮振動に対応）、周波数3062と3080（CH結合の伸縮振動に対応）、周波数607（曲げ振動に対応）です。ベンゼン環の）。観測されたC6 H 6の振動スペクトル（およびC 6 D 6の同様の振動スペクトル）は理論計算と非常によく一致しており、これらのスペクトルを完全に解釈して、すべての通常の振動の形態を見つけることができました。

同じように、M。の助けを借りてそれが可能です。さまざまなクラスの有機および無機分子の構造を決定します。たとえば、ポリマー分子などの非常に複雑な分子までです。

講義12。原子核物理学。原子核の構造。

芯-これは原子の中心の大部分であり、その周りを電子が量子軌道で回転します。原子核の質量は、原子を構成するすべての電子の質量の約4・103倍です。コアサイズは非常に小さい（10 -12 -10 -13 CM）、これは原子全体の直径の約105分の1です。電荷は正であり、絶対値では、原子の電子の電荷の合計に等しくなります（原子全体が電気的に中性であるため）。

核は、物質を通過する際のα粒子の散乱に関する実験で、E。ラザフォード（1911）によって発見されました。ラザフォードは、a粒子が予想よりも頻繁に大きな角度で散乱することを発見し、原子の正電荷が小さな原子核に集中していることを示唆しました（それ以前は、J。トムソンの考えが優勢でした。原子はその体積全体に均一に分布していると見なされました）..。ラザフォードのアイデアは、同時代の人々にはすぐには受け入れられませんでした（主な障害は、原子核の周りの軌道を移動する際の電磁放射によるエネルギーの損失による、原子核上の原子電子の必然的な落下に対する信念でした）。その認識において重要な役割を果たしたのは、原子の量子論の基礎を築いたN.ボーア（1913）の有名な作品です。ボーアは、原子電子の運動を定量化する最初の原理として軌道の安定性を仮定し、それから、広大な経験的材料（バルマー系列など）を説明する線光学スペクトルの規則性を推定しました。やや後（1913年の終わり）、ラザフォードの学生G. Moseliは、原子の線X線スペクトルの短波長境界の変位が原子核の電荷（電子電荷の単位）がZに等しいと仮定すると、元素はボーアの理論に対応します。この発見は、不信の障壁を完全に打ち破りました。一見不均一な現象の輪全体としっかりと結びついており、今では単一の物理的に透明な説明を受けています。モーズリーの研究の後、原子核の存在の事実は最終的に物理学で確立されました。

コア構成。原子核が発見された時点では、陽子と電子の2つの素粒子しか知られていませんでした。したがって、コアはそれらで構成されている可能性が高いと考えられた。しかし、20年代の終わりに。 20世紀陽子-電子仮説は「窒素カタストロフ」と呼ばれる深刻な困難に直面しました。陽子-電子仮説によれば、窒素核には21個の粒子（14個の陽子と7個の電子）が含まれ、それぞれが1/2のスピンを持っているはずです。。窒素原子核のスピンは半整数であるはずであり、光学分子スペクトルの測定に関するデータによれば、スピンは1に等しいことが判明しました。

核の組成は、J。チャドウィック（1932）による発見後に発見されました。 中性子。 チャドウィックの最初の実験からすでにわかっているように、中性子の質量は陽子の質量に近く、スピンは1/2に等しい（後で確立される）。原子核が陽子と中性子で構成されているという考えは、最初にD. D. Ivanenko（1932）によって印刷され、その後すぐにV. Heisenberg（1932）によって開発されました。その後、原子核の陽子-中性子組成に関する仮定は、実験的に完全に確認されました。現代の原子核物理学では、陽子（p）と中性子（n）をまとめて核子と呼ぶことがよくあります。原子核内の核子の総数は質量数と呼ばれます A、陽子の数は原子核の電荷Z（電子電荷の単位）に等しく、中性子の数は次のようになります。 N = A-Z..。もつ 同位体 同じZですが、異なります Aと N、核の場合-同重体は同じ Aと異なるZと N.

核子より重い新しい粒子の発見に関連して、いわゆる。核子同重体は、それらも核の一部である必要があることが判明しました（核内核子は、互いに衝突して、核子同重体に変わる可能性があります）。最も単純なカーネルでは- 重陽子 、1つの陽子と1つの中性子で構成される核子は、時間の約1％が核子同重体の形である必要があります。観察された多くの現象は、核内にそのような等圧状態が存在することを支持していることを証明しています。核子と核子同重体に加えて、核子内で短時間（10 -23 -10 -24）定期的に秒）現れる 中間子 、それらの中で最も軽いものを含む-p-中間子。核子の相互作用は、一方の核子による中間子の放出ともう一方の核子によるその吸収の複数の作用に還元されます。そうなる。交換中間子電流は、特に原子核の電磁特性に影響を与えます。交換中間子電流の最も明確な兆候は、高エネルギー電子とg量子による重陽子分裂の反応で見られました。

核子の相互作用。核子を原子核に保持する力は核 ..。これらは、物理学で知られている最も強力な相互作用です。核内の2つの核子間で作用する核力は、大きさの順に、陽子間の静電相互作用よりも100倍強力です。核力の重要な特性は彼らのものです。核子の電荷状態の独立性：2つの陽子、2つの中性子、または中性子と陽子の核相互作用は、これらの粒子のペアの相対運動の状態が同じである場合、同じです。核力の大きさは、核子間の距離、それらのスピンの相互配向、軌道角運動量に対するスピンの配向、およびある粒子から別の粒子に引かれる半径ベクトルに依存します。核力は特定の作用半径によって特徴付けられます：これらの力の可能性は距離とともに減少します r粒子間よりも速い r-2、そして力自体はより速い r-3。核力の物理的性質を考慮すると、核力は距離とともに指数関数的に減少するはずです。核力の作用半径は、いわゆるによって決定されます。 コンプトン波長 相互作用の過程で核子によって交換されるr0中間子：

ここで、mは中間子の質量、プランク定数、と-真空中の光速。 p-中間子の交換による力は、最大の作用半径を持っています。それらの場合、r 0 = 1.41 f (1 f = 10 -13 CM）。原子核内の核間距離は正確にこのオーダーの大きさですが、生物は交換とより重い中間子（m-、r-、w-中間子など）によって核力に寄与します。 2つの核子間の核力の距離と関連性への正確な依存性、異なるタイプの中間子の交換による核力の寄与は、確実に確立されていません。多核子核では、核子のペアのみの相互作用に還元できない力が発生する可能性があります。これらのいわゆる役割。原子核の構造における多粒子力は不明なままです。

コアサイズそれらが含む核子の数に依存します。すべての多核子核子（A> 0）の核子数pの平均密度（単位体積あたりの核子数）は実質的に同じです。これは、核の体積が核子の数に比例することを意味します A、およびその線形サイズ〜A 1/3。有効コア半径 R比率によって決定されます：

R = a A 1/3 , (2)

ここで、定数 aに近い Hz、しかしそれとは異なり、物理現象に依存します R..。原子核のいわゆる荷電半径の場合、原子核による電子の散乱またはエネルギー準位m-の位置によって測定されます。 メソアトム : a = 1,12 f..。相互作用プロセスから決定された有効半径 ハドロン （核子、中間子、a-粒子など）原子核を持ち、電荷よりわずかに多い：1.2から f 1.4まで f.

核物質の密度は、通常の物質の密度に比べて驚くほど高く、約1014に相当します。 G/CM 3.3。核では、rは中央部でほぼ一定であり、周辺部に向かって指数関数的に減少します。経験的データのおおよその説明として、核の中心からの距離rに対するrの次の依存性が時々取られます。

有効コア半径 R同時に R 0 + b。量bは、原子核境界のぼやけを特徴づけます。これは、すべての原子核でほぼ同じです（»0.5 f）。パラメータr0は、正規化条件（pの体積積分と核子の数の等式）から決定される、原子核の「境界」での2倍の密度です。 A）。（2）から、核のサイズは10-13の大きさの順に変化することになります。 CM 10〜12まで CM重い原子核（原子のサイズ）の場合 ~ 10 -8 CM）。ただし、式（2）は、核子の数が大まかに増加するだけで、核子の直線寸法が大きくなることを示しています。 A..。 1つまたは2つの核子が核に付着した場合の核のサイズの変化は、核の構造の詳細に依存し、不規則になる可能性があります。特に（原子エネルギー準位の同位体シフトの測定によって示されるように）、2つの中性子を追加すると原子核の半径がさらに小さくなることがあります。

分子スペクトル

遊離または弱く結合した分子に属する発光、吸収、およびラマン散乱（RS）スペクトル。典型的な顕微鏡は縞模様です。それらは、スペクトルのUV、可視、およびIR領域の多かれ少なかれ狭いバンドの組み合わせとして観察されます。スペクトル機器の十分な解像度で、桟橋。ストライプは、間隔の狭い線のコレクションに分割されます。 M.の構造。 decompとは異なります。分子と分子内の原子の数の増加に伴い、より複雑になります。非常に複雑な分子の可視スペクトルとUVスペクトルは互いに類似しており、いくつかの広い連続バンドで構成されています。 MS。エネルギー準位間の量子遷移中に発生しますか？「および？」比率に応じた分子：

ここで、hvは、周波数vの放出または吸収された光子のエネルギーです。ラマン散乱では、hvは入射光子と散乱光子のエネルギーの差に等しくなります。 MS。はるかに複雑な原子スペクトル。これは、intの複雑さが増すことによって決まります。 2つ以上の原子核に対する電子の動きに加えて、分子内で振動が発生するため、分子内の運動。平衡位置の周りの核の動き（周囲の内部el-usと一緒に）と回転。全体としての動き。電子揺れ。回転します。分子の運動は3種類のエネルギー準位に対応します-el、

量子によると。力学、分子内のすべてのタイプの運動のエネルギーは、特定の値（量子化）のみを取ることができます。分子の総エネルギー？その内部の3つのタイプに対応する量子化されたエネルギーの合計としておおよそ表すことができます。動き：

？ "？El +？Count +？Vr、（2）そして大きさの順に

El：？カウント：？Br = 1：？M / M：m / M、（3）

ここで、mは電子の質量、Mは分子内の原子核の質量のオーダーです。

El->？カウント->？時間（4）通常？数オーダーのメール。 eV（数百kJ / mol）、λcount= 10-2-10-1 eV、λbr= 10-5-10-3eV。

分子のエネルギー準位のシステムは、互いに遠く離れた電子エネルギー準位のセットによって特徴付けられます（？col =？bp = 0での分解？El）。振動レベルは互いにはるかに近くにあります（差。

図の電子エネルギー準位acb。 1は分子の平衡配置に対応します。各電子状態は、特定の平衡構成と特定の値に対応しますか？最小値はメインに対応します。電子状態（分子の基本的な電子エネルギーレベル）。

米。 1.二原子分子のエネルギー準位の図、aおよびb-電子準位。 v「およびv」は量子です。数は驚異的です。レベル; J "とJ"は量子です。数字が回転します。レベル。

分子の電子状態のセットは、その電子殻のst-youによって決定されます。原則として、フィールドの値は量子法を使用して計算できます。化学ですが、この問題はおおよそ、比較的単純な分子に対してのみ解決されます。その化学によって決定される分子の電子レベル（それらの位置とそれらの特性）に関する重要な情報。構造、受け取り、Mを勉強します。

電子エネルギー準位の非常に重要な特性は、absを決定する量子数5の値です。すべての電子の総スピンモーメントの値。化学的安定性のある分子は、原則として偶数のel-nesを持ち、それらの場合、5 = 0、1、2、。 ..。。; ベーシック用電子レベルは通常5 = 0で、励起されたものの場合-5 = 0および5 = 1です。 S = 0のレベルが呼び出されます一重項、S = 1-三重項（多重度c = 2S + 1 = 3であるため）。

二原子および線形三原子分子の場合、電子レベルは量子値によって特徴付けられます。絶対値を決定する数Л。分子の軸上のすべての電子の全軌道角運動量の投影の大きさ。 L = 0、1、2、...のレベルは、それぞれS、P、Dで示されます。 ..。。、およびは左上のインデックスで示されます（3S、2Пなど）。対称中心を持つ分子（たとえば、CO2、CH6）の場合、すべての電子レベルは、それらを定義する波動関数が中心で反転するときにその符号を保持するかどうかに応じて、偶数と奇数（それぞれgとu）に分割されます。対称性の。

振動エネルギーレベルは、振動を量子化することによって見つけることができます。動き、カットはほぼ調和と見なされます。二原子分子（核間距離rの変化に対応する1つの振動自由度）は調和していると見なすことができます。発振器、その量子化は等距離のエネルギーレベルを与えます：

ここで、v-基本。高調波周波数分子の振動、v = 0、1、2、。 ..。 .-揺れる。量子。番号。

N？3原子からなり、fを持つ多原子分子の各電子状態について自由度（線形分子と非線形分子の場合、それぞれf = 3N-5とf = 3N-6）、/ sonになります。周波数vi（ill、2、3、..。、f）の通常の振動と複雑なシステムが振動します。エネルギーレベル：

規範の頻度のセット。メインの変動。電子状態yavl。その化学物質に応じて、分子の重要な特性。建物。ある規範では。振動には、分子のすべての原子またはその一部が含まれます。原子は調和して機能します。同じ周波数viの振動ですが、差があります。振動の形状を決定する振幅。ノルム。振動は、形状が伸縮（化学結合の長さが変化する）と変形（化学結合間の角度が変化する-結合角）に分けられます。対称性の低い分子の場合（分子の対称性を参照）、f = 2であり、すべての振動は縮退していません。より対称的な分子の場合、2倍および3倍の縮退振動、つまり、周波数が一致する振動のペアおよびトリプルがあります。

回転エネルギーレベルは、回転を量子化することによって見つけることができます。分子の動き、それをテレビと見なします。特定の慣性モーメントを持つ物体。二原子または線形三原子分子の場合、その回転エネルギーはνr= M2 / 2Iです。ここで、Iは分子の軸に垂直な軸に対する分子の慣性モーメントであり、Mは回転します。移動モーメントカウント。量子化の規則によれば、

M2 =（h / 4pi2）J（J + 1）、

ここで、f = 0、1.2、。 ..。 .-回転量子。番号; のために？bp私たちは得る：

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

それらが回転する場所。定数B =（h / 8piI2）I

エネルギー準位間の距離のスケールを決定し、核の質量と核間の距離の増加とともに減少します。

12月 M.のタイプ。 decomp時に発生します。分子のエネルギー準位間の遷移のタイプ。（1）と（2）によると：

D？=？ "-？" == D？El + D？カウント+ D？Vr、

（4）と同様にD？el-> D？count-> D？ D？El？0では、電子顕微鏡が得られ、可視領域とUV領域で観察されます。通常、D ?? 0で同時にD？Number？0とD？Bp？0; decomp。 D？与えられたD？Elの数はdecompに対応します。揺れる。ストライプ（図2）、およびdecomp。与えられたD？ElとD？でのD？Bp 回転します。ライ麦のラインが振動します。ストライプ（図3）。

米。 2.Electroinosが振動します。近紫外線領域のN2分子のスペクトル。バンドのグループはdecompに対応します。値Dv = v "-v"。

与えられたD？El（nel = D？El / hの周波数を持つ純粋な電子遷移に対応する）を持つバンドのセットはと呼ばれます。ストライプのシステム; ストライプにはデコンプがあります。親戚に応じた強度。遷移確率（QUANTUM TRANSITIONを参照）。

米。 3.回転します。開裂電子-colsbate。ストライプ3805.0？分子N2。

複雑な分子の場合、特定の電子遷移に対応する1つのシステムのバンドは、通常、1つの広い連続バンドにマージされます。互いに重なり合うことができます。そのようなバンド。典型的な離散電子スペクトルは、凍結有機溶液で観察されます。接続。

電子（より正確には、電子-振動-回転）スペクトルは、ガラス（可視領域）および石英（UV領域、（UV放射を参照））光学系を備えたスペクトル機器を使用して研究されます。 D？El = 0、D？Number？0の場合、振動します。 MSは、近赤外領域、通常は吸収およびラマンスペクトルで観察されます。原則として、与えられたD？に対して、D？Bp？0の数は変動します。ストリップは別々に分割されます。回転します。行。最も激しい振動。 MS。条件を満たすバンドDv = v "-v" = 1（多原子分子の場合Dvi = v "i-v" i = 1 at Dvk = V "k-V" k = 0;ここでiとkは異なる通常の振動を決定します）。純粋に調和のとれた。ためらい、これらの選択規則は厳密に守られています。非調和性のために。振動は、Dv> 1（倍音）のバンドとして表示されます。それらの強度は通常低く、Dvの増加とともに減少します。発振。 MS。（より正確には、振動-回転）は、IR分光計とフーリエ分光計を使用して研究され、ラマンスペクトル-レーザー励起を使用した高開口分光器（可視領域用）を使用して研究されます。 D？El = 0およびD？Count = 0の場合、それらは純粋に回転していることがわかります。スペクトル、depで構成されます。行。それらは、遠赤外領域、特にマイクロ波領域の吸収スペクトル、およびラマンスペクトルで観察されます。二原子、線形三原子分子、およびかなり対称的な非線形分子の場合、これらの線は互いに等距離にあります（周波数スケールで）。

それらはきれいに回転します。 MS。仕様のIR分光計を使用して研究されています。回折グレーティング（エシェレット）、フーリエ分光計、後方波ランプに基づく分光計、マイクロ波（マイクロ波）分光計（サブミリメーター分光法、マイクロ波分光法を参照）、および回転。ラマンスペクトル-高口径分光計を使用。

ページのM.の研究に基づく分子分光法の方法は、化学の様々な問題を解決することを可能にします。電子M.s。電子殻、励起エネルギーレベルとその特性、分子の解離エネルギー（エネルギーレベルの解離境界への収束による）に関する情報を提供します。研究は驚異的です。スペクトルを使用すると、特定の種類の化学物質の分子内の存在に対応する特徴的な振動周波数を見つけることができます。結合（たとえば、有機分子の場合は二重結合と三重結合C-C、結合C-H、N-H）は、スペースを定義します。シス異性体とトランス異性体を区別するための構造（分子の異性体を参照）。赤外分光法は特に普及しており、最も効果的な光学の1つです。分子の構造を研究するための方法。それらは、DAC分光法の方法と組み合わせて最も完全な情報を提供します。研究は回転しています。スペクトルと回転します。構造は電子的で振動します。 MS。経験から得られた分子の慣性モーメントを使用して、平衡構成のパラメーター（結合長と結合角）を高精度で見つけることができます。決定されたパラメータの数を増やすために、同位体スペクトルが調べられます。分子（特に、水素が重水素に置き換えられた分子）、平衡構成の同じパラメーターを持ちますが、dec。慣性モーメント。

MS。島の構成を決定するためのスペクトル分析でも使用されます。

-弱いファンデルワールス力または水素結合によって互いに結合した分子から形成された結晶..。
物理百科事典
-量子化学では、多電子分子の電子波動関数を決定する行列形式で電子シュレディンガー方程式を書くために使用される積分式の名前...
化学百科事典
-正式に原子価-satから形成されます。分子間相互作用の力による分子..。
化学百科事典
-ファンデルワールス力によって結合された分子によって形成されます。分子の内部では、原子ははるかに強い結合によってリンクされています...
化学百科事典
-分子組織の視覚的表現。とinorg。分子に含まれる原子の相互配置を判断することを可能にする化合物..。
化学百科事典
-電磁石の発光および吸収スペクトル。放射線と組み合わせ..。
化学百科事典
-部分的に関連する...を参照してください。
-分子間の相互作用の力。これは、外部条件に応じて、物質の凝集の1つまたは別の状態と他の多くの物理的特性を決定します...
水文地質学と土木地質学の辞書
-あるエネルギーレベルから別のエネルギーレベルへの分子の遷移から生じる、光の光吸収、発光、およびラマン散乱のスペクトル。 MS。多かれ少なかれ幅の広いストライプ、画像で構成されています...
ビッグ百科事典ポリテクニック辞書
-Articlesactuatorbiological motorsbiological nanoobjectsbiomedical microelectromechanical systemsbiopolymersdrug deliverykinesinlaboratory for chipmulti-functional nanos .. ..
ナノテクノロジー百科事典辞典
-オプティカル遊離または弱く結合した分子に属する発光、吸収、および散乱スペクトル..。
自然科学。百科事典の辞書
-先天性代謝異常症、遺伝性代謝障害によって引き起こされる病気。用語「M。 b。」アメリカの化学者L.ポーリングによって提案された..。
-弱いファンデルワールス力または水素結合によって互いに結合した分子から形成された結晶。より強い共有結合が分子内の原子間で作用します...
ソビエト大百科事典
-自由または弱く結合した分子に属する、発光および吸収スペクトル、ならびに光のラマン散乱。 MS。複雑な構造を持っている..。
ソビエト大百科事典
-遊離または弱く結合した分子に属する光の発光、吸収、および散乱の光学スペクトル..。
大きな百科事典の辞書
-または部分的なアクション..。

分子スペクトル-から生じる吸収、発光、または散乱スペクトル 量子遷移 1つのエネルギーからの分子。別の州に。 MS。分子の組成、その構造、化学物質の性質によって決定されます。外部とのコミュニケーションと相互作用フィールド（したがって、周囲の原子や分子とともに）。ナイブ。特徴はMです。存在しない場合の希薄分子ガス スペクトル線の広がり圧力：このようなスペクトルは、ドップラー幅の細い線で構成されます。

米。 1.二原子分子のエネルギー準位の図： aと b-電子レベル; u" と u"" -振動 量子数; J "と J""-回転量子 数字.

分子内のエネルギー準位の3つのシステム（電子、振動、回転（図1））に従って、M。p。電子振動のコレクションで構成されています。回転します。スペクトルと電磁石の広い範囲にあります。波-無線周波数からX線まで。スペクトルの領域。回転間の遷移の周波数。エネルギーレベルは通常、振動間の遷移の周波数であるマイクロ波領域（波数スケール0.03-30 cm -1）に分類されます。レベル-IR領域（400-10000 cm -1）、および電子レベル間の遷移の周波数-スペクトルの可視領域とUV領域。多くの場合ローテーションされるため、この分割は条件付きです。遷移はIR領域に分類され、振動します。可視領域への遷移、およびIR領域への電子遷移。通常、電子遷移は振動の変化を伴います。分子のエネルギー、そしてそれらが振動するとき。トランジションが変化して回転します。エネルギー。したがって、ほとんどの場合、電子スペクトルは電子振動システムです。バンド、およびスペクトル機器の高解像度で、それらは回転します。構造。 Mの線と帯の強度。c。対応する量子遷移の確率によって決定されます。ナイブ。強い線は許可された遷移に対応します 選択規則.KM.s。オージェスペクトルとX線も含まれます。分子のスペクトル（記事では考慮されていません。を参照してください。 オージェ効果、オージェ分光法、X線スペクトル、X線分光法）.

電子スペクトル..。純粋に電子的なM.c。振動が変わらなければ、分子の電子エネルギーが変化したときに発生します。回転します。エネルギー。電子M.c。吸収（吸収スペクトル）と発光（発光スペクトル）の両方で観察されます。電子遷移の間、電気は通常変化します。分子の双極子モーメント。 Ele-ktrich。対称型Гの分子の電子状態間の双極子遷移 " およびG "" （CM。 分子の対称性）直接製品Гの場合は許可されます " G "" 双極子モーメントベクトルの成分の少なくとも1つの対称性のタイプが含まれています d ..。基底（完全に対称）電子状態から励起電子状態への遷移は、通常、吸収スペクトルで観察されます。明らかに、このような遷移が発生するためには、励起状態と双極子モーメントの対称性のタイプが一致している必要があります。 T.k.エレクトリック双極子モーメントはスピンに依存しないため、電子遷移中はスピンを保存する必要があります。つまり、同じ多重度の状態間の遷移のみが許可されます（相互結合は禁止されます）。ただし、このルールに違反しています

強いスピン軌道相互作用を持つ分子の場合、 相互結合量子遷移..。そのような遷移の結果として、例えば、励起された三重項状態から地面への遷移に対応するリン光スペクトルが生じる。一重項状態。

decompの分子。電子状態はしばしば異なるジオメトリを持っています。対称。そのような場合、条件Г " G "" G d対称性の低い構成のポイントグループに対して実行する必要があります。ただし、順列反転（PI）グループを使用する場合、すべての状態のPIグループを同じように選択できるため、この問題は発生しません。

対称の線形分子の場合 xy付き双極子モーメントの対称性のタイプГ d= S +（d z）-P（ d x、d y）したがって、S + --S +、S --- S-、P --Pなどのみが、分子の軸に沿って方向付けられた遷移双極子モーメントで遷移し、S + --P、P --Dなどが遷移します。遷移のモーメントが分子の軸に垂直に向けられている場合（状態の指定については、Artを参照してください。分子).

確率 V電気の電子レベルからの双極子遷移 T電子レベルに Pすべての振動回転の合計。電子レベルレベル T、f-loyによって決定されます：

遷移の双極子モーメントの行列要素 n-m、y epおよびy em-電子の波動関数。壁内係数。実験的に測定できる吸収は、式によって決定されます

どこ N m-最初の分子の数。調子 m, v nm-遷移周波数 TP..。多くの場合、電子遷移は振動子強度によって特徴付けられます

どこ eと t e-電子の電荷と質量。激しいトランジションの場合 f nm〜 1.（1）と（4）から決定されます。励起状態の寿命：

これらのf-lyは振動にも有効です。回転します。遷移（この場合、双極子モーメントの行列要素を再定義する必要があります）。許可された電子送金の場合、通常は校正。いくつかの吸収。振動よりも桁違いに多い。回転します。トランジション。時々od。吸収は〜10 3 -10 4 cm -1 atm -1の値に達します。つまり、電子バンドは非常に低い圧力（〜10 -3 -10 -4 mm Hg）と薄い厚さ（〜10-100 cm）で観察されます。物質層の。

振動スペクトル変動が変化するときに観察されます。エネルギー（電子エネルギーと回転エネルギーは変化しないはずです）。分子の通常の振動は通常、相互作用しない高調波のセットとして表されます。発振器。双極子モーメントの膨張の線形項のみに制限すると、 d （吸収スペクトルの場合）または分極率a（組み合わせ散乱の場合）法線座標に沿って Qk、次に許可された振動。遷移は、量子数uの1つが変化した遷移のみと見なされます kユニットあたり。このような遷移はメインに対応します。揺れる。縞模様、それらは振動します。スペクトルナイブ。集中。

主要揺れる。 DOSからの遷移に対応する線形多原子分子のストライプ。揺れる。状態には2つのタイプがあります。分子軸に沿った遷移双極子モーメントを持つ遷移に対応する平行（||）バンドと、分子軸に垂直な遷移双極子モーメントを持つ遷移に対応する垂直（1）バンドです。平行ストリップはのみで構成されます R- と R-枝、そして垂直なストリップで、

また解決しました Q-ブランチ（図2）。メインのスペクトル。対称トップ型分子の吸収帯も||で構成されますと | 縞模様ですが、回転します。これらのバンドの構造（以下を参照）はより複雑です。 Q-ブランチ|| 車線も許可されていません。許可されたためらい。ストライプは vk..。バンド強度 vk導関数の二乗に依存します（ dd / dQに）2または（ d/ qQk）2。バンドが励起状態からより高い状態への遷移に対応する場合、それはと呼ばれます。ホット。

米。 2.IR吸収帯 v 4 SF6分子, 0.04cm-1の分解能でフーリエ分光計で得られた; ニッチは微細構造を示しています 台詞 R（39）ダイオードレーザーで測定 分解能10-4 cm-1の分光計.

展開における振動と非線形項の非調和性を考慮に入れる dとによって Qk uの選択規則によって禁止されている遷移 k..。数値uの1つが変化した遷移 k 2、3、4などで呼び出されます。オーバートーン（Du k= 2-最初の倍音、Du k= 3-2番目の倍音など）。 2つ以上の数字の場合u k、次にそのような遷移が呼び出されます。組み合わせまたは合計（すべてのuの場合に増加）と差（uの一部の場合） k下降）。倍音のストライプは2で表されます vk, 3vk、...、合計ストライプ vk + v l, 2vk + v lなど、および差のバンド vk - v l, 2vk - e lなど。バンド強度2u k, vk + v lと vk - v l一次および二次導関数に依存します dの上 Qk（またはによって Qk）および立方体。ポテンシャルの非調和係数。エネルギー; より高い遷移の強度は係数に依存します。より高度な分解 d（またはa）とポテン。エネルギー Qk.

対称要素のない分子の場合、すべての振動が許可されます。励起エネルギーを吸収するときと結合するときの両方で遷移します。光の散乱。反転中心を持つ分子（たとえば、CO 2、C 2 H 4など）の場合、吸収で許可される遷移は、組み合わせでは禁止されています。散乱、およびその逆（代替禁止）。シェイク間の遷移。対称性タイプГ1およびГ2のエネルギー準位は、直接積Г1Г2が双極子モーメントの対称性のタイプを含み、組み合わせて許可される場合、吸収が許可されます。製品Г1の場合の散乱

Г2には、分極率テンソルの対称型が含まれています。この選択規則は、振動の相互作用を考慮していないため、概算です。電子と回転による動き。動き。これらの相互作用を考慮に入れると、純粋な振動によって禁止されたバンドの出現につながります。選択規則。

学習は躊躇します。 MS。高調波をインストールすることができます。振動周波数、非調和定数。揺れる。スペクトルはコンフォメーションを実行します。分析

講義番号6

分子エネルギー

原子は、その化学的性質を持つ化学元素の最小粒子です。

原子は、正に帯電した原子核とその場を移動する電子で構成されます。原子核の電荷はすべての電子の電荷と同じです。イオン与えられた原子のは、原子からの電子の損失または獲得によって形成される荷電粒子と呼ばれます。

分子基本的な化学的性質を持つ均質物質の最小粒子と呼ばれます。

分子は、原子間化学結合によって接続された同じまたは異なる原子で構成されています。

電気的に中性の原子が安定した分子を形成できる理由を理解するために、2つの同一または異なる原子からなる最も単純な二原子分子を検討することに限定します。

分子内に原子を保持する力は、外部電子の相互作用によって引き起こされます。内殻の電子は、原子が結合して分子になると、以前の状態のままになります。

原子が互いに遠く離れている場合、それらは互いに相互作用しません。原子が互いに近づくと、それらの相互引力の力が増加します。原子のサイズに匹敵する距離では、相互反発力が現れます。これにより、ある原子の電子が別の原子の電子殻に深く浸透することはありません。

斥力は重力よりも「短距離」です。これは、原子間の距離が大きくなると、反発力が引力よりも速く減少することを意味します。

引力、反発力、および結果として生じる原子間の相互作用力の距離の関数としての依存性のグラフは、次の形式になります。

分子内の電子の相互作用エネルギーは、原子核の相互配置によって決定され、距離の関数です。

分子全体の総エネルギーには、移動する原子核の運動エネルギーも含まれます。

したがって、

これは、それが原子核の相互作用の位置エネルギーであることを意味します。

次に、それは二原子分子内の原子の相互作用の力を表します。

したがって、分子内の原子の相互作用の位置エネルギーの原子間の距離への依存性のグラフは、次の形式になります。

分子内の平衡原子間距離は、接続長..。量Dは呼ばれます分子の解離エネルギーまた通信エネルギー。これは、原子の化学結合を分子に分解し、原子間力の範囲外でそれらを除去するために実行する必要のある作業と数値的に同じです。解離エネルギーは、分子の形成中に放出されるエネルギーと同じですが、符号が逆になります。解離エネルギーは負であり、分子の形成中に放出されるエネルギーは正です。

分子のエネルギーは、原子核の動きの性質に依存します。この動きは、並進、回転、振動に分けることができます。分子内の原子間の距離が短く、分子に提供される容器の体積が十分に大きい場合、並進エネルギーは連続スペクトルを持ち、その平均値はです。

回転エネルギー離散スペクトルを持ち、値を取ることができます

ここで、Iは回転量子数です。

Jは分子の慣性モーメントです。

振動運動エネルギーまた、離散スペクトルを持ち、値を取ることができます

ここで、振動量子数はです。

-このタイプの振動の固有振動数。

最も低い振動レベルではエネルギーがゼロです

運動エネルギーの形態は、回転運動と並進運動のエネルギーに対応しますが、振動運動のエネルギーは潜在的です。その結果、二原子分子の振動運動のエネルギーステップを依存性のグラフで表すことができます。

二原子分子の回転運動のエネルギーステップは同様の方法で配置され、それらの間の距離だけが振動運動の同じステップのそれよりもはるかに小さいです。

原子間結合の主な種類

原子結合には2つのタイプがあります。イオン性（またはヘテロ極性）および共有結合（またはホメオポーラ）.

イオン結合これらの場合、分子内の電子が一方の原子核の近くに過剰が形成され、もう一方の原子核の近くに不足が生じるように配置されている場合に発生します。したがって、分子は、いわば、互いに引き付けられた反対の符号の2つのイオンで構成されています。イオン結合を持つ分子の例は次のとおりです。 NaCl、KCl、RbF、CsJ等元素の原子の接続によって形成されます私 thと Vii-メンデレーエフの周期表の3番目のグループ。この場合、1つまたは複数の電子をそれ自体に結合した原子は負の電荷を獲得して負のイオンになり、対応する数の電子を放棄した原子は正のイオンになります。イオンの正電荷と負電荷の合計はゼロです。したがって、イオン性分子は電気的に中性です。分子の安定性を保証する力は、本質的に電気的です。

イオン結合を実現するためには、電子の脱離のエネルギー、つまり正イオンを生成する作業が、負イオンの形成中に放出されるエネルギーとそのエネルギーの合計よりも小さい必要があります。相互引力。

中性原子からの陽イオンの形成は、蓄積し始めた電子殻にある電子の分離がある場合に、最小限の作業で済むことは明らかです。

一方、最大のエネルギーは、電子殻が満たされるまで1つの電子が不足しているハロゲン原子に電子が付着したときに放出されます。したがって、イオン結合は、そのような電子の移動で形成され、これは、満たされた電子殻の形成されたイオンの生成につながる。

別のタイプの接続は共有結合.

同一の原子からなる分子の形成により、反対に帯電したイオンの出現は不可能です。したがって、イオン結合は不可能です。しかし、自然界には、分子が同一の原子から形成されている物質があります。 H 2、O 2、N 2等このタイプの物質の結合はと呼ばれます共有結合またホメオポーラ（ホメオ-異なる[ギリシャ語]）。さらに、共有結合は、異なる原子を持つ分子でも観察されます：フッ化水素 HF、一酸化窒素 いいえ、メタン CH 4等

共有結合の性質は、量子力学に基づいてのみ説明することができます。量子力学的説明は、電子の波動の性質に基づいています。原子の外側の電子の波動関数は、原子の中心からの距離が増しても急激に途切れることはなく、徐々に減少します。原子同士が近づくと、外部電子の拡散電子雲が部分的に重なり、変形します。電子の状態の変化を正確に計算するには、相互作用に関与するすべての粒子の系についてシュレディンガー波動方程式を解く必要があります。この道の複雑さと煩わしさは、私たちがここで現象の定性的な考察だけに自分自身を限定することを余儀なくさせます。

最も単純なケースでは s-電子の状態、電子雲は特定の半径の球です。共有結合分子内の両方の電子が、以前は原子核に属していた電子1が「 a「、原子核に属していた電子2の場所に渡ります」 b "、電子2は逆遷移し、共有結合分子の状態では何も変化しません。

パウリの原理により、2つの電子が反対方向のスピンを持つ同じ状態で存在することができます。両方の電子を配置できる領域のマージは、それらの間に特別な量子力学の出現を意味します交換相互作用..。この場合、分子内の各電子は交互に一方または他方の原子核に属することができます。

計算によると、分子の交換エネルギーは、相互作用する電子のスピンが平行である場合は正であり、平行でない場合は負です。

したがって、共有結合タイプの結合は、反対のスピンを持つ電子対によって提供されます。イオン結合において、ある原子から別の原子への電子の移動の問題である場合、ここでは、電子の一般化とそれらの移動のための共通空間の作成によって結合が実行されます。

分子スペクトル

分子スペクトルは原子スペクトルとは大きく異なります。原子スペクトルは個々の線で構成されていますが、分子スペクトルは一方の端が鋭く、もう一方の端がぼやけているバンドで構成されています。したがって、分子スペクトルは縞模様のスペクトル.

分子スペクトルのバンドは、電磁波の赤外線、可視光線、紫外線の周波数範囲で観察されます。この場合、ストライプは特定の順序で配置され、一連のストライプを形成します。スペクトルにはいくつかの系列が含まれています。

量子力学は分子スペクトルの性質を説明します。多原子分子のスペクトルの理論的解釈は非常に複雑です。二原子分子のみを考慮することに限定します。

以前、分子のエネルギーは原子核の運動の性質に依存することを指摘し、このエネルギーの3つのタイプ（並進、回転、振動）を特定しました。さらに、分子のエネルギーは、電子の運動の性質によっても決定されます。このタイプのエネルギーはと呼ばれます電子エネルギー分子の総エネルギーの構成要素です。

したがって、分子の総エネルギーは次のようになります。

並進エネルギーの変化は、分子スペクトルにスペクトル線が現れることはありません。したがって、分子スペクトルをさらに検討する際には、このタイプのエネルギーを除外します。それで

ボーアの周波数の法則によると（ III–ボーアの仮説）、分子のエネルギー状態が変化したときに分子が放出する量子の周波数は次のとおりです。

経験と理論的研究はそれを示しました

したがって、弱い励起では、それは、より強い-で、さらに強い-でのみ変化します。さまざまな種類の分子スペクトルについて詳しく説明します。

分子の回転スペクトル

エネルギーのごく一部で電磁波の吸収を調べ始めましょう。エネルギー量子の値が2つの最も近いレベル間の距離に等しくなるまで、分子は吸収しません。周波数を徐々に上げることで、分子をある回転ステップから別の回転ステップに持ち上げることができる量子に到達します。これは、0.1〜1mmのオーダーの赤外線波長範囲で発生します。

ここで、およびは、-番目および-番目のエネルギーレベルでの回転量子数の値です。

回転量子数であり、値を持つことができます。それらの可能な変更は、選択ルールによって制限されます

分子による量子の吸収は、ある回転エネルギーレベルから別のより高いレベルに量子を移動させ、回転吸収スペクトルのスペクトル線の出現につながります。波長が短くなると（つまり、数が変化すると）、この領域に吸収スペクトルの新しい線が現れます。すべての線のセットは、分子の回転エネルギー状態の分布のアイデアを提供します。

これまで、分子の吸収スペクトルについて検討してきました。分子の発光スペクトルも可能です。回転発光スペクトルの線の出現は、分子の上部回転エネルギーレベルから下部回転エネルギーレベルへの遷移に関連しています。

回転スペクトルにより、単純な分子の原子間距離を非常に正確に決定することができます。慣性モーメントと原子の質量がわかれば、原子間の距離を決定することができます。二原子分子の場合

分子の振動-回転スペクトル

物質による波長ミクロンの赤外領域での電磁波の吸収は、振動エネルギーレベル間の遷移を引き起こし、分子の振動スペクトルの出現につながります。ただし、分子の振動エネルギーレベルが変化すると、その回転エネルギー状態も変化します。 2つの振動エネルギー準位間の遷移には、回転エネルギー状態の変化が伴います。これにより、分子の振動-回転スペクトルが生じます。

分子が同時に振動および回転する場合、そのエネルギーは2つの量子数によって決定されます。

両方の量子数の選択規則を考慮して、振動-回転スペクトルの周波数について次の式を取得します（前の式/ hおよび前のエネルギーレベル、つまり括弧内の項を破棄します）。

この場合、（+）記号は低い回転レベルから高い回転レベルへの遷移に対応し、（-）記号は反対の位置に対応します。周波数の振動部分は、バンドが配置されているスペクトル領域を決定します。回転部分がストリップの微細構造を決定します。個々のスペクトル線の分割。

古典的な概念によれば、二原子分子の回転または振動は、分子が非ゼロの双極子モーメントを持っている場合にのみ電磁波の放出につながる可能性があります。この条件は、2つの異なる原子によって形成された分子に対してのみ満たされます。非対称分子の場合。

同一の原子によって形成される対称分子は、双極子モーメントがゼロです。したがって、古典電磁気学によれば、そのような分子の振動と回転は放射線を引き起こすことができません。量子論も同様の結果につながります。

分子の振動スペクトル

可視および紫外線範囲での電磁波の吸収は、異なる電子エネルギーレベル間での分子の遷移につながります。分子の電子スペクトルの出現に。各電子エネルギーレベルは、電子の特定の空間分布、または、彼らが言うように、離散エネルギーを持つ電子の特定の構成に対応します。電子の各構成は、さまざまな振動エネルギーレベルに対応しています。

2つの電子レベル間の遷移には、振動レベル間の多くの付随する遷移が伴います。これは、分子の電子振動スペクトルがどのように表示されるかであり、近接した線のグループで構成されています。

回転レベルのシステムは、各振動エネルギー状態に重ね合わされます。したがって、電子振動遷移中の光子の周波数は、3つのタイプのエネルギーすべての変化によって決定されます。

周波数-スペクトルの位置を決定します。

電子振動スペクトル全体は、いくつかのバンドのグループのシステムであり、多くの場合、互いに重なり合って広帯域を構成します。

分子スペクトルの研究と解釈により、分子の詳細な構造を理解することができ、化学分析に幅広く適用できます。

ラマン光散乱

この現象は、光が気体、液体、または透明な結晶体を通過するときに発生する散乱スペクトルに、一定の周波数の光の散乱とともに、次の周波数に対応する多数のより高いまたはより低い周波数が現れるという事実にあります。分子を散乱させる振動または回転遷移。

ラマン散乱現象には、簡単な量子力学的説明があります。分子による光の散乱は、光子と分子の非弾性衝突と見なすことができます。衝突すると、光子は分子に与えたり、分子から2つのエネルギーレベルの差に等しい量のエネルギーのみを受け取ったりすることができます。光子との衝突時に、分子がエネルギーの低い状態からエネルギーの高い状態に移行すると、分子はエネルギーを失い、周波数が低下します。これにより、分子のスペクトルに線が作成され、メイン線に対してより長い波長にシフトします。光子と衝突した後、分子が高エネルギーの状態から低エネルギーの状態に移行すると、スペクトルに線が作成され、主波長に対して主波長に対してシフトします。

ラマン散乱研究は、分子の構造に関する情報を提供します。この方法を使用すると、分子の固有振動数を簡単かつ迅速に決定できます。また、分子の対称性の性質を判断することもできます。

発光

物質の分子がそれらの平均運動エネルギーを増加させることなく励起状態にされることができるならば、すなわち。加熱せずに、これらの体の輝きまたは発光があります。

発光には2つのタイプがあります。蛍光と燐光.

蛍光発光と呼ばれ、発光病原体の作用が終了するとすぐに停止します。

蛍光を使用すると、励起状態から低レベルへの分子の自発的な遷移が発生します。このタイプのグローの持続時間は非常に短いです（約10〜7秒）。

リン光発光と呼ばれ、グローのエキサイターの作用後、グローを長期間保持します。

リン光の間、分子は励起状態から準安定レベルに移行します。準安定そのようなレベルはと呼ばれ、そこからより低いレベルへの移行はありそうにありません。この場合、分子が励起レベルに戻ると、放射線が発生する可能性があります。

準安定状態から励起状態への遷移は、追加の励起が存在する場合にのみ可能です。この追加の原因物質は、物質の温度である可能性があります。高温では、この遷移は急速に、低温ではゆっくりと発生します。

すでに述べたように、光の作用下での発光はフォトルミネッセンス、電子衝撃の作用下で- カソードルミネッセンス、電界の作用下で- エレクトロルミネッセンス、化学変換の影響下で- 化学発光.

量子増幅器と放射線発生器

1950年代半ば、量子エレクトロニクスの急速な発展が始まりました。 1954年、学者N.G.BasovとA.M. センチメートル範囲の超短電波の量子発生器を説明したプロホロフは、 メーザー（誘導放出によるマイクロウェアの増幅）。 60年代に登場した可視光線と赤外光用の一連の発電機と増幅器は、光量子発生器また レーザー（放射線の誘導放出による光増幅）。

どちらのタイプのデバイスも、刺激または誘導放射効果に基づいて動作します。

この種の放射線についてさらに詳しく見ていきましょう。

このタイプの放射線は、電磁波が通過する物質の原子と電磁波との相互作用の結果です。

原子では、より高いエネルギーレベルからより低いエネルギーレベルへの遷移が自発的に（または自発的に）実行されます。しかし、入射放射線の作用下では、そのような遷移は順方向と逆方向の両方で可能です。これらの遷移はと呼ばれます強制また誘発..。励起レベルの1つから低エネルギーレベルへの強制遷移が発生すると、原子は、遷移が行われた影響下で光子に追加される光子を放出します。

この場合、この光子の伝播方向、したがってすべての誘導放射の伝播方向は、遷移を引き起こした外部放射の伝播方向と一致します。誘導放出は誘導放出と厳密にコヒーレントです.

したがって、誘導放出の結果として現れる新しい光子は、媒体を通過する光を増幅します。しかし、誘導放射と同時に、光の吸収過程が起こります。刺激的な放射線光子は低エネルギーレベルの原子に吸収され、原子はより高いエネルギーレベルに移動します。と

環境を逆の状態に移行するプロセスは、 汲み上げ増幅培地。利得媒体をポンピングする方法はたくさんあります。それらの中で最も単純なのは、媒体の光ポンピングであり、原子は、そのような周波数の光の照射によって、より低いレベルからより高い励起レベルに移動します。

反転状態の媒体では、誘導放出が原子による光の吸収を上回り、その結果、入射光ビームが増幅されます。

光学範囲で波発生器として使用される、そのような媒体を使用するデバイスを考えてみましょう。レーザ.

その主要部分は、アルミナである人工ルビーの結晶であり、アルミニウム原子の一部がクロム原子に置き換えられています。ルビーの結晶に5600の波長の光が照射されると、クロムイオンはより高いエネルギーレベルに移動します。

基底状態への復帰遷移は2段階で発生します。最初の段階で、励起されたイオンはエネルギーの一部を結晶格子に放出し、準安定状態に移行します。イオンは、上のレベルよりも長い時間このレベルにあります。その結果、準安定レベルの逆状態が達成されます。

イオンが基底状態に戻ると、2本の赤い線が放出されます。この戻りは、同じ波長の光子の作用下でのなだれのように発生します。強制放射線で。この戻りは自然放出の場合よりもはるかに速いため、光が増幅されます。

レーザーで使用されるルビーは、直径0.5 cm、長さ4〜5 cmのロッドの形をしています。このロッドの平らな端は、2つの反対側のミラーを形成するように研磨され、銀メッキされています。そのうち半透明です。ルビーロッド全体がパルス真空管の近くにあり、その助けを借りて媒体が光学的にポンピングされます。移動方向がルビーの軸と小さな角度を形成する光子は、その端から複数の反射を経験します。

したがって、結晶内でのそれらの経路は非常に長くなり、この方向の光子のカスケードは最大の発達を遂げます。

他の方向に自然放出された光子は、それ以上の放射線を発生させることなく、その側面から結晶を出ます。

アキシャルビームが十分に強くなると、その一部は結晶の半透明の端から出ます。

水晶の内部で多くの熱が発生します。したがって、集中的に冷却する必要があります。

レーザー放射には多くの特徴があります。それは次の特徴があります。

1.時間的および空間的コヒーレンス;

2.厳密な単色性。

3.ハイパワー;

4.ビームの狭さ。

放射線の高いコヒーレンスは、無線通信、特に宇宙での指向性無線通信にレーザーを使用するための幅広い展望を開きます。光を変調および復調する方法が見つかった場合、膨大な量の情報を送信できます。したがって、送信される情報の量に関しては、1つのレーザーが米国の東海岸と西海岸の間の通信システム全体を置き換えることができます。

レーザービームの角幅は非常に小さいため、望遠鏡による集束を使用すると、月面に直径3kmの光のスポットを得ることができます。ビームの高出力と狭さにより、レンズで焦点を合わせると、太陽光の焦点を合わせる場合のエネルギー束密度の1000倍のエネルギー束密度を得ることができます。このような光線は、機械加工や溶接、化学反応の過程などに影響を与えるために使用できます。

上記は、レーザーのすべての可能性を網羅しているわけではありません。それは完全に新しいタイプの光源であり、その応用のすべての可能な領域を想像することはまだ困難です。

分子スペクトル表。 分子スペクトル

分子スペクトル表。分子スペクトル