Tabela de espectros moleculares. Espectros moleculares

Enquanto os espectros atômicos consistem em linhas individuais, os espectros moleculares, quando observados com um instrumento de poder de resolução médio, parecem consistir em (ver Fig. 40.1, que mostra uma seção do espectro resultante de uma descarga luminosa no ar).

Ao usar instrumentos de alta resolução, descobre-se que as bandas consistem em um grande número de linhas estreitamente espaçadas (ver Fig. 40.2, que mostra a estrutura fina de uma das bandas no espectro das moléculas de nitrogênio).

De acordo com sua natureza, os espectros das moléculas são chamados de espectros listrados. Dependendo da mudança em que tipos de energia (eletrônica, vibracional ou rotacional) provocam a emissão de um fóton por uma molécula, distinguem-se três tipos de bandas: 1) rotacional, 2) vibracional-rotacional e 3) eletrônico-vibracional. Listras na Fig. 40.1 pertencem ao tipo vibracional eletrônico. Este tipo de faixa é caracterizado pela presença de uma borda afiada chamada borda da faixa. A outra borda dessa faixa fica desfocada. A orla é causada pela condensação de linhas formando uma faixa. As bandas rotacionais e oscilatório-rotacionais não possuem borda.

Limitar-nos-emos a considerar os espectros rotacional e vibracional-rotacional das moléculas diatômicas. A energia de tais moléculas consiste em energias eletrônicas, vibracionais e rotacionais (ver fórmula (39.6)). No estado fundamental da molécula, todos os três tipos de energia têm um valor mínimo. Quando uma molécula recebe uma quantidade suficiente de energia, ela entra em um estado excitado e então, fazendo uma transição permitida pelas regras de seleção para um dos estados de menor energia, emite um fóton:

(deve-se ter em mente que ambos diferem para diferentes configurações eletrônicas da molécula).

No parágrafo anterior foi afirmado que

Portanto, com excitações fracas, ele muda apenas com excitações mais fortes - e somente com excitações ainda mais fortes a configuração eletrônica da molécula muda, ou seja,

Listras rotacionais. Os fótons que correspondem às transições de uma molécula de um estado rotacional para outro têm a energia mais baixa (a configuração eletrônica e a energia vibracional não mudam):

Possíveis alterações no número quântico são limitadas pela regra de seleção (39.5). Portanto, as frequências das linhas emitidas durante as transições entre níveis rotacionais podem ter os seguintes valores:

onde é o número quântico do nível para o qual ocorre a transição (pode ter os valores: 0, 1, 2, ...), e

Na Fig. A Figura 40.3 mostra um diagrama da ocorrência de uma banda rotacional.

O espectro rotacional consiste em uma série de linhas igualmente espaçadas localizadas na região do infravermelho muito distante. Medindo a distância entre as linhas, você pode determinar a constante (40,1) e encontrar o momento de inércia da molécula. Então, conhecendo as massas dos núcleos, pode-se calcular a distância de equilíbrio entre eles em uma molécula diatômica.

A distância entre as linhas de Lie é da ordem de grandeza, de modo que para os momentos de inércia das moléculas são obtidos valores da ordem de grandeza, por exemplo, para uma molécula, que corresponde a .

Bandas vibracionais-rotacionais. No caso em que o estado vibracional e rotacional da molécula muda durante a transição (Fig. 40.4), a energia do fóton emitido será igual a

Para o número quântico v aplica-se a regra de seleção (39.3), para J aplica-se a regra (39.5).

Como a emissão de fótons pode ser observada não apenas em e em . Se as frequências dos fótons forem determinadas pela fórmula

onde J é o número quântico rotacional do nível inferior, que pode assumir os seguintes valores: 0, 1, 2, ; B - valor (40,1).

Se a fórmula para a frequência do fóton tiver a forma

onde é o número quântico rotacional de nível inferior, que pode assumir os valores: 1, 2, ... (neste caso não pode ter o valor 0, pois então J seria igual a -1).

Ambos os casos podem ser cobertos por uma fórmula:

O conjunto de linhas com frequências determinadas por esta fórmula é denominado banda vibracional-rotacional. A parte vibracional da frequência determina a região espectral na qual a banda está localizada; a parte rotacional determina a estrutura fina da tira, ou seja, a divisão das linhas individuais. A região na qual as bandas vibracionais-rotacionais estão localizadas estende-se de aproximadamente 8.000 a 50.000 A.

Da Fig. 40.4 fica claro que a banda vibracional-rotacional consiste em um conjunto de linhas relativamente simétricas espaçadas umas das outras apenas no meio da banda a distância é duas vezes maior, pois não aparece uma linha com frequência.

A distância entre os componentes da banda vibracional-rotacional está relacionada ao momento de inércia da molécula pela mesma relação que no caso da banda rotacional, de modo que medindo esta distância, o momento de inércia da molécula pode ser encontrado.

Observe que, em total conformidade com as conclusões da teoria, os espectros rotacional e vibracional-rotacional são observados experimentalmente apenas para moléculas diatômicas assimétricas (ou seja, moléculas formadas por dois átomos diferentes). Para moléculas simétricas, o momento dipolar é zero, o que leva à proibição de transições rotacionais e vibracionais-rotacionais. Espectros vibracionais eletrônicos são observados para moléculas assimétricas e simétricas.

espectros moleculares, espectros de emissão e absorção óptica, bem como Dispersão Raman, pertencente a livre ou fracamente conectado moléculas. EM. possuem uma estrutura complexa. Típico M.s. - listrados, são observados na emissão e absorção e no espalhamento Raman na forma de um conjunto de bandas mais ou menos estreitas nas regiões ultravioleta, visível e infravermelho próximo, que se desintegram com poder de resolução suficiente dos instrumentos espectrais utilizados em um conjunto de linhas estreitamente espaçadas. A estrutura específica de M. s. é diferente para moléculas diferentes e, em geral, torna-se mais complexo à medida que o número de átomos na molécula aumenta. Para moléculas muito complexas, os espectros visível e ultravioleta consistem em algumas bandas largas e contínuas; os espectros de tais moléculas são semelhantes entre si.

EM. surge quando transições quânticas entre níveis de energia E' E E'' moléculas de acordo com a proporção

h n= E‘ - E‘’, (1)

Onde h n - energia emitida absorvida fóton frequência f ( h -Constante de Planck ). Com dispersão Raman h n é igual à diferença entre as energias dos fótons incidentes e dispersos. EM. muito mais complexo do que o espectro atômico linear, que é determinado pela maior complexidade dos movimentos internos em uma molécula do que nos átomos. Junto com o movimento dos elétrons em relação a dois ou mais núcleos nas moléculas, o movimento vibracional dos núcleos (juntamente com os elétrons internos que os rodeiam) ocorre em torno das posições de equilíbrio e do movimento rotacional da molécula como um todo. Esses três tipos de movimento – eletrônico, vibracional e rotacional – correspondem a três tipos de níveis de energia e três tipos de espectros.

De acordo com a mecânica quântica, a energia de todos os tipos de movimento em uma molécula pode assumir apenas determinados valores, ou seja, é quantizada. Energia total de uma molécula E pode ser representado aproximadamente como a soma dos valores de energia quantizados de três tipos de seu movimento:

E = E e-mail + E contar + E girar (2)

Por ordem de grandeza

Onde eué a massa do elétron e a magnitude M tem a ordem de massa dos núcleos atômicos em uma molécula, ou seja, milímetros~ 10 -3 -10 -5, portanto:

E e-mail >> E contar >> E girar (4)

Geralmente E el sobre vários tudo(várias centenas kJ/mol),E conte ~ 10 -2 -10 -1 véspera rotação ~ 10 -5 -10 -3 ev.

De acordo com (4), o sistema de níveis de energia de uma molécula é caracterizado por um conjunto de níveis eletrônicos distantes uns dos outros (valores diferentes E el em E contar = E rotação = 0), níveis vibracionais localizados muito mais próximos uns dos outros (valores diferentes E contar em um dado E terra E rotação = 0) e níveis rotacionais ainda mais espaçados (valores diferentes E rotação em determinado E el e E contar).

Níveis de energia eletrônica ( E el em (2) correspondem às configurações de equilíbrio da molécula (no caso de uma molécula diatômica, caracterizada pelo valor de equilíbrio R 0 distância internuclear R. Cada estado eletrônico corresponde a uma certa configuração de equilíbrio e a um certo valor E el; o valor mais baixo corresponde ao nível de energia básico.

O conjunto de estados eletrônicos de uma molécula é determinado pelas propriedades de sua camada eletrônica. Em princípio os valores E el pode ser calculado usando métodos química quântica, no entanto, este problema só pode ser resolvido utilizando métodos aproximados e para moléculas relativamente simples. As informações mais importantes sobre os níveis eletrônicos de uma molécula (a localização dos níveis de energia eletrônica e suas características), determinadas pela sua estrutura química, são obtidas através do estudo de sua estrutura molecular.

Uma característica muito importante de um determinado nível de energia eletrônica é o valor número quântico S, caracterizando o valor absoluto do momento total de spin de todos os elétrons da molécula. Moléculas quimicamente estáveis ​​geralmente possuem um número par de elétrons, e para elas S= 0, 1, 2... (para o nível eletrônico principal o valor típico é S= 0, e para os excitados - S= 0 e S= 1). Níveis com S= 0 são chamados singleto, com S= 1 - tripleto (já que a interação na molécula leva à sua divisão em c = 2 S+ 1 = 3 subníveis) . COM radicais livres têm, via de regra, um número ímpar de elétrons, para eles S= 1/2, 3/2, ... e o valor é típico para os níveis principal e excitado S= 1/2 (níveis de dupleto divididos em c = 2 subníveis).

Para moléculas cuja configuração de equilíbrio possui simetria, os níveis eletrônicos podem ser classificados posteriormente. No caso de moléculas diatômicas e triatômicas lineares tendo um eixo de simetria (de ordem infinita) passando pelos núcleos de todos os átomos , os níveis eletrônicos são caracterizados pelos valores do número quântico l, que determina o valor absoluto da projeção do momento orbital total de todos os elétrons no eixo da molécula. Os níveis com l = 0, 1, 2, ... são designados S, P, D..., respectivamente, e o valor de c é indicado pelo índice no canto superior esquerdo (por exemplo, 3 S, 2 p, ...). Para moléculas com centro de simetria, por exemplo CO 2 e C 6 H 6 , todos os níveis eletrônicos são divididos em pares e ímpares, designados por índices g E você(dependendo se a função de onda retém seu sinal quando invertida no centro de simetria ou o altera).

Níveis de energia vibracional (valores E contagem) pode ser encontrada quantizando o movimento oscilatório, que é aproximadamente considerado harmônico. No caso mais simples de uma molécula diatômica (um grau de liberdade vibracional, correspondente a uma mudança na distância internuclear R) é considerado harmônico oscilador; sua quantização fornece níveis de energia igualmente espaçados:

E contar = h n e (você +1/2), (5)

onde n e é a frequência fundamental das vibrações harmônicas da molécula, u é o número quântico vibracional, assumindo os valores 0, 1, 2, ... Para cada estado eletrônico de uma molécula poliatômica composta por Nátomos ( N³ 3) e tendo f graus vibracionais de liberdade ( f = 3N- 5 e f = 3N- 6 para moléculas lineares e não lineares, respectivamente), verifica-se f assim chamado vibrações normais com frequências n i ( eu = 1, 2, 3, ..., f) e um sistema complexo de níveis vibracionais:

Onde você i = 0, 1, 2, ... são os números quânticos vibracionais correspondentes. O conjunto de frequências de vibrações normais no estado eletrônico fundamental é uma característica muito importante de uma molécula, dependendo de sua estrutura química. Todos ou parte dos átomos da molécula participam de uma certa vibração normal; os átomos realizam vibrações harmônicas com a mesma frequência v i, mas com amplitudes diferentes que determinam a forma da vibração. As vibrações normais são divididas de acordo com sua forma em alongamento (no qual os comprimentos das linhas de ligação mudam) e flexão (no qual os ângulos entre as ligações químicas - ângulos de ligação - mudam). O número de diferentes frequências de vibração para moléculas de baixa simetria (sem eixos de simetria de ordem superior a 2) é igual a 2, e todas as vibrações são não degeneradas, enquanto para moléculas mais simétricas existem vibrações dupla e triplamente degeneradas (pares e triplos de vibrações que correspondem em frequência). Por exemplo, em uma molécula triatômica não linear H 2 O f= 3 e são possíveis três vibrações não degeneradas (duas de alongamento e uma de flexão). A molécula triatômica linear de CO 2 mais simétrica tem f= 4 - duas vibrações não degeneradas (alongamento) e uma duplamente degenerada (deformação). Para uma molécula plana altamente simétrica C 6 H 6, verifica-se f= 30 - dez oscilações não degeneradas e 10 oscilações duplamente degeneradas; destas, 14 vibrações ocorrem no plano da molécula (8 de alongamento e 6 de flexão) e 6 vibrações de flexão fora do plano - perpendiculares a este plano. A molécula tetraédrica CH 4 ainda mais simétrica tem f = 9 - uma vibração não degenerada (alongamento), uma duplamente degenerada (deformação) e duas triplamente degeneradas (um estiramento e uma deformação).

Os níveis de energia rotacional podem ser encontrados quantizando o movimento rotacional de uma molécula, tratando-a como um sólido com certas momentos de inércia. No caso mais simples de uma molécula diatômica ou poliatômica linear, sua energia rotacional

Onde EUé o momento de inércia da molécula em relação a um eixo perpendicular ao eixo da molécula, e M- momento rotacional do momento. De acordo com as regras de quantização,

onde está o número quântico rotacional J.= 0, 1, 2, ... e, portanto, para E rotação recebida:

onde a constante rotacional determina a escala de distâncias entre os níveis de energia, que diminui com o aumento das massas nucleares e das distâncias internucleares.

Vários tipos de M. s. surgem durante vários tipos de transições entre os níveis de energia das moléculas. De acordo com (1) e (2)

D E = E‘ - E''= D E el + D E contar + D E girar, (8)

onde muda D E el, D E contar e D E rotação de energias eletrônicas, vibracionais e rotacionais satisfazem a condição:

D E ele >> D E contar >> D E girar (9)

[as distâncias entre os níveis são da mesma ordem que as próprias energias E el, E olá e E rotação, satisfazendo a condição (4)].

Em D E el ¹ 0, obtém-se microscopia eletrônica, observável nas regiões visível e ultravioleta (UV). Geralmente em D E el ¹ 0 simultaneamente D E número 0 e D E rotação ¹ 0; D diferente E contar para um determinado D E el correspondem a diferentes bandas vibracionais e diferentes D E rotação em dado D E el e d E contagem - linhas rotacionais individuais nas quais esta faixa se divide; obtém-se uma estrutura listrada característica.

Divisão rotacional da banda eletrovibracional 3805 da molécula de N 2

Um conjunto de listras com um determinado D E el (correspondente a uma transição puramente eletrônica com frequência v el = D E e-mail/ h) denominado sistema de tiras; bandas individuais têm intensidades diferentes dependendo das probabilidades relativas de transições, que podem ser calculadas aproximadamente por métodos de mecânica quântica. Para moléculas complexas, as bandas de um sistema correspondente a uma determinada transição eletrônica geralmente se fundem em uma ampla banda contínua; várias dessas bandas largas podem se sobrepor. Espectros eletrônicos discretos característicos observados em soluções congeladas de compostos orgânicos . Os espectros eletrônicos (mais precisamente, elétron-vibracional-rotacional) são estudados experimentalmente usando espectrógrafos e espectrômetros com óptica de vidro (para a região visível) e de quartzo (para a região UV), nos quais prismas ou redes de difração são usados ​​para decompor a luz em um espectro .

Em D E el = 0 e D E contagem ¹ 0, são obtidas ressonâncias magnéticas oscilatórias, observadas de perto (até vários µm) e no meio (até várias dezenas µm) região infravermelha (IR), geralmente na absorção, bem como no espalhamento Raman da luz. Via de regra, simultaneamente D E rotação ¹ 0 e em um determinado E O resultado é uma banda vibracional que se divide em linhas rotacionais separadas. Eles são mais intensos em M. s oscilatórios. listras correspondentes a D você = você’ - você'' = 1 (para moléculas poliatômicas - D você eu = você eu' - você eu ''= 1 em D você k = você k' - você k '' = 0, onde k¹eu).

Para vibrações puramente harmônicas estes regras de seleção, a proibição de outras transições é realizada de forma estrita; para vibrações anarmônicas, aparecem bandas para as quais D você> 1 (tons); sua intensidade é geralmente baixa e diminui com o aumento de D você.

Os espectros vibracionais (mais precisamente, vibracional-rotacionais) são estudados experimentalmente na região IR em absorção usando espectrômetros IR com prismas transparentes à radiação IR ou com redes de difração, bem como espectrômetros de Fourier e em espalhamento Raman usando espectrógrafos de alta abertura (para o região visível) usando excitação a laser.

Em D E el = 0 e D E contagem = 0, são obtidos sistemas magnéticos puramente rotacionais, constituídos por linhas individuais. Eles são observados em absorção à distância (centenas de µm)região IR e especialmente na região de microondas, bem como nos espectros Raman. Para moléculas poliatômicas diatômicas e lineares (bem como para moléculas poliatômicas não lineares bastante simétricas), essas linhas são igualmente espaçadas (na escala de frequência) umas das outras com intervalos Dn = 2 B em espectros de absorção e Dn = 4 B em espectros Raman.

Os espectros rotacionais puros são estudados em absorção na região distante do IR usando espectrômetros IR com redes de difração especiais (echelettes) e espectrômetros de Fourier, na região de microondas usando espectrômetros de microondas (microondas) , bem como no espalhamento Raman usando espectrógrafos de alta abertura.

Os métodos de espectroscopia molecular, baseados no estudo de microrganismos, permitem resolver diversos problemas da química, da biologia e de outras ciências (por exemplo, determinação da composição de produtos petrolíferos, substâncias poliméricas, etc.). Em química de acordo com MS. estudar a estrutura das moléculas. Eletrônico M.s. permitem obter informações sobre as camadas eletrônicas das moléculas, determinar os níveis excitados e suas características e encontrar as energias de dissociação das moléculas (pela convergência dos níveis vibracionais de uma molécula para os limites de dissociação). Estudo de M. oscilatório. permite encontrar frequências de vibração características correspondentes a certos tipos de ligações químicas na molécula (por exemplo, ligações C-C duplas e triplas simples, ligações C-H, N-H, O-H para moléculas orgânicas), vários grupos de átomos (por exemplo, CH 2 , CH 3 , NH 2), determinam a estrutura espacial das moléculas, distinguem entre isômeros cis e trans. Para este propósito, são utilizados espectros de absorção no infravermelho (IR) e espectros Raman (RSS). O método IR tornou-se especialmente difundido como um dos métodos ópticos mais eficazes para estudar a estrutura das moléculas. Ele fornece as informações mais completas em combinação com o método SKR. O estudo das ressonâncias magnéticas rotacionais, bem como da estrutura rotacional dos espectros eletrônicos e vibracionais, permite utilizar valores dos momentos de inércia das moléculas encontrados experimentalmente [que são obtidos a partir dos valores das constantes rotacionais, ver (7)] para encontrar com grande precisão (para moléculas mais simples, por exemplo H 2 O) parâmetros da configuração de equilíbrio da molécula - comprimentos e ângulos de ligação. Para aumentar o número de parâmetros determinados, são estudados os espectros de moléculas isotópicas (em particular, nas quais o hidrogênio é substituído pelo deutério) que possuem os mesmos parâmetros de configurações de equilíbrio, mas diferentes momentos de inércia.

Como exemplo do uso de M. s. Para determinar a estrutura química das moléculas, considere a molécula de benzeno C 6 H 6 . Estudando seu mestrado. confirma a correção do modelo, segundo o qual a molécula é plana, e todas as 6 ligações CC no anel de benzeno são equivalentes e formam um hexágono regular com um eixo de simetria de sexta ordem passando pelo centro de simetria da molécula perpendicular ao seu avião. Eletrônico M.s. A banda de absorção C 6 H 6 consiste em vários sistemas de bandas correspondentes às transições do nível par singleto fundamental para níveis ímpares excitados, dos quais o primeiro é tripleto e os mais altos são singletos. O sistema de listras é mais intenso na região de 1840 ( E 5 - E 1 = 7,0 tudo), o sistema de bandas é mais fraco na região de 3400 ( E 2 - E 1 = 3,8tudo), correspondendo à transição singleto-tripleto, o que é proibido pelas regras de seleção aproximada para o spin total. As transições correspondem à excitação dos chamados. elétrons p deslocalizados em todo o anel de benzeno ; O diagrama de níveis obtido a partir de espectros moleculares eletrônicos está de acordo com cálculos aproximados da mecânica quântica. Oscilatório M. s. C 6 H 6 correspondem à presença de um centro de simetria na molécula - as frequências vibracionais que aparecem (ativas) no IRS estão ausentes (inativas) no SRS e vice-versa (a chamada proibição alternativa). Das 20 vibrações normais de C 6 H 6 4 estão ativas no ICS e 7 estão ativas no SCR, as 11 restantes estão inativas tanto no ICS quanto no SCR. Valores de frequência medidos (em cm-1): 673, 1038, 1486, 3080 (em ICS) e 607, 850, 992, 1178, 1596, 3047, 3062 (em TFR). As frequências 673 e 850 correspondem a vibrações não planas, todas as outras frequências correspondem a vibrações planas. Particularmente características das vibrações planares são a frequência 992 (correspondente à vibração de estiramento das ligações CC, consistindo na compressão e estiramento periódico do anel de benzeno), frequências 3062 e 3080 (correspondendo às vibrações de estiramento das ligações CH) e frequência 607 (correspondente à vibração de flexão do anel de benzeno). Os espectros vibracionais observados de C 6 H 6 (e espectros vibracionais semelhantes de C 6 D 6) estão em muito boa concordância com os cálculos teóricos, o que permitiu dar uma interpretação completa desses espectros e encontrar as formas de todas as vibrações normais.

Da mesma forma, você pode usar M. s. determinar a estrutura de várias classes de moléculas orgânicas e inorgânicas, até algumas muito complexas, como moléculas poliméricas.

Aula 12. Física Nuclear. A estrutura do núcleo atômico.

Essencial- esta é a parte central massiva do átomo em torno da qual os elétrons giram em órbitas quânticas. A massa do núcleo é aproximadamente 4,10 3 vezes maior que a massa de todos os elétrons incluídos no átomo. O tamanho do kernel é muito pequeno (10 -12 -10 -13 cm), que é aproximadamente 10 5 vezes menor que o diâmetro de todo o átomo. A carga elétrica é positiva e em valor absoluto é igual à soma das cargas dos elétrons atômicos (já que o átomo como um todo é eletricamente neutro).

O núcleo foi descoberto por E. Rutherford (1911) em experimentos sobre a dispersão de partículas alfa à medida que passavam pela matéria. Tendo descoberto que as partículas a estão espalhadas em grandes ângulos com mais frequência do que o esperado, Rutherford sugeriu que a carga positiva do átomo está concentrada em um pequeno núcleo (antes disso, prevaleciam as idéias de J. Thomson, segundo as quais a carga positiva de o átomo foi considerado uniformemente distribuído em todo o seu volume). A ideia de Rutherford não foi imediatamente aceita por seus contemporâneos (o principal obstáculo era a crença na inevitável queda dos elétrons atômicos sobre o núcleo devido à perda de energia para a radiação eletromagnética ao se mover em órbita ao redor do núcleo). O famoso trabalho de N. Bohr (1913), que lançou as bases para a teoria quântica do átomo, desempenhou um papel importante no seu reconhecimento. Bohr postulou a estabilidade das órbitas como o princípio inicial da quantização do movimento dos elétrons atômicos e dele derivou as leis dos espectros ópticos lineares que explicaram extenso material empírico (série de Balmer, etc.). Um pouco mais tarde (no final de 1913), o aluno de Rutherford, G. Moseley, mostrou experimentalmente que o deslocamento do limite de ondas curtas dos espectros lineares de raios X dos átomos quando o número atômico Z de um elemento no sistema periódico de elementos muda corresponde à teoria de Bohr, se assumirmos que a carga elétrica do núcleo (em unidades de carga do elétron) é igual a Z. Esta descoberta quebrou completamente a barreira da desconfiança: um novo objeto físico - o núcleo - acabou por estar firmemente conectado com toda uma gama de fenômenos aparentemente heterogêneos, que agora receberam uma explicação unificada e fisicamente transparente. Após o trabalho de Moseley, o fato da existência do núcleo atômico foi finalmente estabelecido na física.

Composição do núcleo. Na época da descoberta do núcleo, apenas duas partículas elementares eram conhecidas - o próton e o elétron. Assim, considerou-se provável que o núcleo fosse constituído por eles. Porém, no final da década de 20. século 20 A hipótese próton-elétron encontrou uma séria dificuldade, chamada de “catástrofe do nitrogênio”: de acordo com a hipótese próton-elétron, o núcleo do nitrogênio deveria conter 21 partículas (14 prótons e 7 elétrons), cada uma das quais tinha um spin de 1/2 . O spin do núcleo de nitrogênio deveria ser meio inteiro, mas de acordo com os dados de medição do espectro molecular óptico, o spin acabou sendo igual a 1.

A composição do núcleo foi esclarecida após a descoberta de J. Chadwick (1932) nêutron. A massa do nêutron, como se descobriu nos primeiros experimentos de Chadwick, é próxima da massa do próton, e o spin é igual a 1/2 (estabelecido posteriormente). A ideia de que o núcleo consiste em prótons e nêutrons foi expressa pela primeira vez impressa por D. D. Ivanenko (1932) e imediatamente depois foi desenvolvida por W. Heisenberg (1932). A suposição sobre a composição próton-nêutron do núcleo foi posteriormente totalmente confirmada experimentalmente. Na física nuclear moderna, o próton (p) e o nêutron (n) são frequentemente combinados sob o nome comum de núcleon. O número total de núcleons em um núcleo é chamado de número de massa A, o número de prótons é igual à carga do núcleo Z (em unidades de carga do elétron), o número de nêutrons N = UMA - Z. você isótopos mesmo Z, mas diferente A E N, os núcleos têm as mesmas isóbaras A e diferentes Z e N.

Em conexão com a descoberta de novas partículas mais pesadas que os núcleons, as chamadas. isóbaras de núcleon, descobriu-se que elas também deveriam fazer parte do núcleo (núcleons intranucleares, colidindo entre si, podem se transformar em isóbaras de núcleon). No kernel mais simples - deutério , consistindo em um próton e um nêutron, os núcleons devem permanecer na forma de isóbaras de núcleon ~ 1% do tempo. Vários fenômenos observados atestam a favor da existência de tais estados isobáricos nos núcleos. Além de núcleons e isóbaras de núcleons, em núcleos periodicamente por um curto período de tempo (10 -23 -10 -24 segundo) aparecer mésons , incluindo o mais leve deles - mésons p. A interação dos núcleons se resume a múltiplos atos de emissão de um méson por um dos núcleons e sua absorção por outro. Emergindo, ou seja. as correntes de mésons de troca afetam, em particular, as propriedades eletromagnéticas dos núcleos. A manifestação mais distinta das correntes de troca de mésons foi encontrada na reação de divisão do deutério por elétrons de alta energia e g-quanta.

Interação de núcleons. As forças que mantêm os núcleons no núcleo são chamadas nuclear . Estas são as interações mais fortes conhecidas na física. As forças nucleares que atuam entre dois núcleons em um núcleo são uma ordem de grandeza cem vezes mais intensas do que a interação eletrostática entre prótons. Uma propriedade importante das forças nucleares é a sua. independência do estado de carga dos núcleons: as interações nucleares de dois prótons, dois nêutrons ou um nêutron e um próton são as mesmas se os estados de movimento relativo desses pares de partículas forem iguais. A magnitude das forças nucleares depende da distância entre os núcleons, da orientação mútua de seus spins, da orientação dos spins em relação ao momento angular orbital e do vetor raio desenhado de uma partícula para outra. As forças nucleares são caracterizadas por um certo alcance de ação: o potencial dessas forças diminui com a distância R entre partículas mais rápido do que R-2, e as próprias forças são mais rápidas que R-3. Da consideração da natureza física das forças nucleares, conclui-se que elas deveriam diminuir exponencialmente com a distância. O raio de ação das forças nucleares é determinado pelos chamados. Comprimento de onda Compton r 0 mésons trocados entre núcleons durante a interação:

aqui m, é a massa do méson, é a constante de Planck, Com- velocidade da luz no vácuo. As forças causadas pela troca de mésons p têm o maior raio de ação. Para eles r 0 = 1,41 f (1 f = 10 -13 cm). As distâncias internucleares nos núcleos são precisamente desta ordem de grandeza, mas as trocas de mésons mais pesados ​​(mésons m-, r-, w, etc.) também contribuem para as forças nucleares. A dependência exata das forças nucleares entre dois núcleons da distância e da contribuição das forças nucleares devido à troca de mésons de diferentes tipos não foi estabelecida com certeza. Em núcleos multinúcleos, são possíveis forças que não podem ser reduzidas à interação de apenas pares de núcleons. O papel desses chamados as forças de muitas partículas na estrutura dos núcleos permanecem obscuras.

Tamanhos de kernel dependem do número de núcleons que eles contêm. A densidade média do número p de núcleons em um núcleo (seu número por unidade de volume) para todos os núcleos multinucleons (A > 0) é quase a mesma. Isso significa que o volume do núcleo é proporcional ao número de núcleons A, e seu tamanho linear ~A 1/3. Raio central efetivo Ré determinado pela relação:

R = uma UMA 1/3 , (2)

onde está a constante A perto de hertz, mas difere dele e depende de quais fenômenos físicos ele é medido R. No caso do chamado raio de carga do núcleo, medido pelo espalhamento dos elétrons nos núcleos ou pela posição dos níveis de energia m- mesoátomos : uma = 1,12 f. Raio efetivo determinado a partir de processos de interação hádrons (núcleons, mésons, partículas a, etc.) com núcleos ligeiramente maiores que a carga: de 1,2 f até 1,4 f.

A densidade da matéria nuclear é fantasticamente alta em comparação com a densidade das substâncias comuns: é aproximadamente 10 14 G/cm 3. No núcleo, r é quase constante na parte central e diminui exponencialmente em direção à periferia. Para uma descrição aproximada dos dados empíricos, às vezes é aceita a seguinte dependência de r na distância r do centro do núcleo:

.

Raio central efetivo R igual a R 0 + b. O valor b caracteriza a indefinição dos limites do núcleo; é quase o mesmo para todos os núcleos (» 0,5 f). O parâmetro r 0 é a densidade dupla na “fronteira” do núcleo, determinada a partir da condição de normalização (igualdade da integral de volume de p ao número de núcleons A). De (2) segue-se que os tamanhos dos núcleos variam em ordem de grandeza de 10 -13 cm até 10-12 cm para núcleos pesados ​​(tamanho de átomo ~ 10 -8 cm). No entanto, a fórmula (2) descreve o aumento nas dimensões lineares dos núcleos com um aumento no número de núcleons apenas aproximadamente, com um aumento significativo A. A mudança no tamanho do núcleo no caso da adição de um ou dois núcleons depende dos detalhes da estrutura do núcleo e pode ser irregular. Em particular (como mostrado pelas medições do deslocamento isotópico dos níveis de energia atômica), às vezes o raio do núcleo diminui até mesmo quando dois nêutrons são adicionados.

ESPECTRO MOLECULAR

Espectros de emissão, absorção e Raman de luz pertencente a moléculas livres ou fracamente ligadas. Os sistemas microscópicos típicos são listrados; são observados na forma de um conjunto de bandas mais ou menos estreitas nas regiões UV, visível e IR do espectro; com resolução suficiente de dispositivos espectrais mol. as listras se dividem em uma coleção de linhas bem espaçadas. Estrutura de M. s. diferente para diferente moléculas e se torna mais complexo à medida que o número de átomos em uma molécula aumenta. Os espectros visível e UV de moléculas muito complexas são semelhantes entre si e consistem em algumas bandas largas e contínuas. EM. surgem durante as transições quânticas entre os níveis de energia?" e?" moléculas de acordo com a proporção:

onde hv é a energia do fóton emitido ou absorvido de frequência v. No espalhamento Raman, hv é igual à diferença nas energias dos fótons incidentes e dispersos. EM. muito mais complexo que os espectros atômicos, que é determinado pela maior complexidade do interno movimentos na molécula, pois além do movimento dos elétrons em relação a dois ou mais núcleos, ocorre oscilação na molécula. o movimento dos núcleos (juntamente com os elétrons internos que os rodeiam) em torno da posição de equilíbrio e giram. seus movimentos como um todo. Eletrônico, oscilante e gire. Os movimentos de uma molécula correspondem a três tipos de níveis de energia – el, ?col e ?vr e três tipos de M. s.

De acordo com quant. mecânica, a energia de todos os tipos de movimento em uma molécula só pode assumir determinados valores (quantizados). Energia total de uma molécula? pode ser representado aproximadamente como uma soma de valores de energia quantizados correspondentes aos seus três tipos de energia interna. movimentos:

??el +?col+?vr, (2) e em ordem de grandeza

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

onde m é a massa do elétron e M é da ordem da massa dos núcleos dos átomos da molécula, ou seja,

El -> ?contagem ->?vr. (4) Normalmente eu encomendo vários. eV (centenas de kJ/mol), ?col = 10-2-10-1 eV, ?vr=10-5-10-3 eV.

O sistema de níveis de energia de uma molécula é caracterizado por conjuntos de níveis de energia eletrônicos distantes entre si (disag. ?el at?col=?vr=0). níveis vibracionais localizados muito mais próximos entre si (valores diferenciais para um determinado el e volt = 0) e ainda mais próximos entre si níveis rotacionais (valores de volt para um determinado el e tyr).

Os níveis de energia eletrônica a a b na Fig. 1 correspondem às configurações de equilíbrio da molécula. Cada estado eletrônico corresponde a uma certa configuração de equilíbrio e a um certo valor?el; o menor valor corresponde ao básico. estado eletrônico (nível de energia eletrônica básica da molécula).

Arroz. 1. Diagrama dos níveis de energia de uma molécula diatômica, a e b - níveis eletrônicos; v" e v" são quânticos. número de oscilações níveis; J" e J" - quântico. os números são girados. níveis.

O conjunto de estados eletrônicos de uma molécula é determinado pelas propriedades de sua camada eletrônica. Em princípio, os valores de ?el podem ser calculados usando métodos quânticos. na química, entretanto, esse problema só pode ser resolvido aproximadamente e para moléculas relativamente simples. Informações importantes sobre os níveis eletrônicos das moléculas (sua localização e suas características), determinados pela sua composição química. a estrutura é obtida estudando M. s.

Uma característica muito importante do nível de energia eletrônica é o valor do número quântico 5, que determina o abs. o valor do momento total de spin de todos os elétrons. Moléculas quimicamente estáveis, via de regra, possuem um número par de elétrons, e para elas 5 = 0, 1, 2, . . .; para principal o nível eletrônico é normalmente 5=0, para níveis excitados - 5 = 0 e 5=1. Níveis com S=0 são chamados. singleto, com S=1 - tripleto (já que sua multiplicidade é c=2S+1=3).

No caso de moléculas diatômicas e triatômicas lineares, os níveis eletrônicos são caracterizados por valores quânticos. número L, que determina o abs. a magnitude da projeção do momento orbital total de todos os elétrons no eixo da molécula. Níveis com L=0, 1, 2, ... são designados S, P, D, respectivamente. . ., e e é indicado por um índice no canto superior esquerdo (por exemplo, 3S, 2P). Para moléculas com centro de simetria (por exemplo, CO2, CH6), todos os níveis eletrônicos são divididos em pares e ímpares (g e u, respectivamente), dependendo se a função de onda que os define retém ou não seu sinal quando invertida no centro de simetria.

Os níveis de energia vibracional podem ser encontrados quantizando as vibrações. movimentos que são aproximadamente considerados harmônicos. Uma molécula diatômica (um grau de liberdade vibracional correspondente a uma mudança na distância internuclear r) pode ser considerada harmônica. oscilador, cuja quantização fornece níveis de energia igualmente espaçados:

onde v - principal. frequência harmônica vibrações da molécula, v=0, 1, 2, . . .- oscilar quântico. número.

Para cada estado eletrônico de uma molécula poliatômica que consiste em N?3 átomos e possui oscilação f. graus de liberdade (f=3N-5 ef=3N-6 para moléculas lineares e não lineares, respectivamente), resulta / assim chamado. oscilações normais com frequências vi(il, 2, 3, ..., f) e um sistema complexo de oscilações. níveis de energia:

O conjunto de frequências é normal. flutuações nos principais estado eletrônico dos fenômenos. uma característica importante de uma molécula, dependendo de sua substância química. edifícios. Num certo sentido. as vibrações envolvem todos os átomos da molécula ou parte deles; átomos executam harmônicos oscilações com a mesma frequência vi, mas com diferentes amplitudes que determinam a forma da vibração. Normal as vibrações são divididas de acordo com sua forma em valência (os comprimentos das ligações químicas mudam) e deformação (os ângulos entre as ligações químicas mudam - ângulos de ligação). Para moléculas de simetria inferior (ver SIMETRIA DE UMA MOLÉCULA) f=2 e todas as vibrações são não degeneradas; para moléculas mais simétricas, existem vibrações dupla e triplamente degeneradas, ou seja, pares e trios de vibrações correspondentes em frequência.

Os níveis de energia rotacional podem ser encontrados quantizando a rotação. movimento de uma molécula, considerando-a como uma TV. um corpo com certos momentos de inércia. No caso de uma molécula diatômica ou triatômica linear, sua energia rotacional é? momento de quantidade de movimento. De acordo com as regras de quantização,

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

onde f=0, 1,2,. . .- quantum rotacional. número; para?v obtemos:

Вр=(h2/8pi2I)J(J+1) = hBJ(J+1), (7)

onde eles giram. constante B=(h/8piI2)I

determina a escala de distâncias entre os níveis de energia, que diminui com o aumento das massas nucleares e das distâncias internucleares.

Diferença. tipos de M. s. surgem quando diferentes tipos de transições entre os níveis de energia das moléculas. De acordo com (1) e (2):

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

e similarmente a (4) D?el->D?count->D?time. No D?el?0 obtém-se microscopia eletrônica, observável nas regiões visível e UV. Geralmente em D??0 tanto D?número?0 quanto D?tempo?0; diferente. A contagem de D? em um dado D? el corresponde a diff. oscilar listras (Fig. 2) e decomposição. D?vr para determinado D?el e D?número de dep. girar linhas nas quais as oscilações se dividem. listras (Fig. 3).

Arroz. 2. Oscilação eletroino. espectro da molécula de N2 na região do UV próximo; grupos de listras correspondem a diff. valores Dv= v"-v".

Chama-se um conjunto de bandas com um determinado D?el (correspondente a uma transição puramente eletrônica com frequência nel=D?el/h). sistema de tiras; listras têm diferentes intensidade dependendo do relativo probabilidades de transição (ver TRANSIÇÃO QUÂNTICA).

Arroz. 3. Gire. divisão elétron-colsbat. listras 3805,0? Moléculas de N2.

Para moléculas complexas, as bandas de um sistema correspondente a uma determinada transição eletrônica geralmente se fundem em uma ampla banda contínua; podem se sobrepor e várias vezes. tais listras. Espectros eletrônicos discretos característicos são observados em soluções orgânicas congeladas. conexões.

Os espectros eletrônicos (mais precisamente, eletrônicos-vibracionais-rotacionais) são estudados usando instrumentos espectrais com óptica de vidro (região visível) e quartzo (região UV, (ver RADIAÇÃO UV)). Quando D?el = 0 e D?col?0, obtêm-se oscilações. MS observado na região do infravermelho próximo geralmente está nos espectros de absorção e Raman. Como regra, para um determinado D? conte o tempo D? 0 e a oscilação. a tira se divide em seções. girar linhas. Mais intenso durante as vibrações. EM. bandas que satisfazem a condição Dv=v"- v"=1 (para moléculas poliatômicas Dvi=v"i- v"i=1 com Dvk=V"k-V"k=0; aqui i e k determinam diferentes vibrações normais). Para puramente harmonioso flutuações, estas regras de seleção são rigorosamente seguidas; para anarmônico aparecem bandas para vibrações, para as quais Dv>1 (sobretons); sua intensidade geralmente é baixa e diminui com o aumento do Dv. Oscilação EM. (mais precisamente, vibracional-rotacional) são estudados usando espectrômetros IR e espectrômetros de Fourier, e os espectros Raman são estudados usando espectrógrafos de alta abertura (para a região visível) usando excitação a laser. Com D?el=0 e D?col=0, obtém-se rotação pura. espectros consistindo em separados linhas. Eles são observados em espectros de absorção na região distante do IR e especialmente na região de micro-ondas, bem como em espectros Raman. Para moléculas diatômicas, triatômicas lineares e moléculas não lineares bastante simétricas, essas linhas são igualmente espaçadas (na escala de frequência) umas das outras.

Gire de forma limpa. EM. estudado usando espectrômetros IR com especial difração grades (echelettes), espectrômetros de Fourier, espectrômetros baseados em uma lâmpada de onda reversa, espectrômetros de microondas (microondas) (ver ESPECTROSCOPIA SUBMILÍMETRO, ESPECTROSCOPIA DE MICROONDAS) e girar. Espectros Raman - usando espectrômetros de alta abertura.

Os métodos de espectroscopia molecular, baseados no estudo da microscopia, permitem resolver diversos problemas da química. Eletrônico M.s. fornecer informações sobre camadas eletrônicas, níveis de energia excitados e suas características, sobre a energia de dissociação das moléculas (pela convergência dos níveis de energia para o limite de dissociação). Estudo de oscilações. Os espectros permitem encontrar as frequências de vibração características correspondentes à presença de certos tipos de produtos químicos na molécula. ligações (por exemplo, ligações CC duplas e triplas, ligações CH, NH para moléculas orgânicas), determinam espaços. estrutura, distinguir entre isômeros cis e trans (ver ISOMERÍSTICA DE MOLÉCULAS). Particularmente difundidos são os métodos de espectroscopia infravermelha - um dos métodos ópticos mais eficazes. métodos para estudar a estrutura das moléculas. Eles fornecem as informações mais completas em combinação com métodos de espectroscopia Raman. O estudo será rotativo. espectros e também girar. estruturas de eletrônica e vibrações. EM. permite usar momentos de inércia de moléculas encontrados experimentalmente para encontrar com grande precisão os parâmetros das configurações de equilíbrio - comprimentos e ângulos de ligação. Para aumentar o número de parâmetros determinados, são estudados espectros isotópicos. moléculas (em particular, moléculas nas quais o hidrogênio é substituído por deutério) tendo os mesmos parâmetros de configurações de equilíbrio, mas diferentes. momentos de inércia.

EM. Eles também são usados ​​em análise espectral para determinar a composição de uma substância.

• - cristais formados a partir de moléculas ligadas entre si por forças fracas de van der Waals ou ligações de hidrogênio...

  Enciclopédia física

• - na química quântica, o nome das expressões integrais que são usadas para escrever na forma matricial a equação eletrônica de Schrödinger, que determina as funções de onda eletrônica de uma molécula multieletrônica...

  Enciclopédia Química

• - são formados a partir da saturação formal de valência. moléculas devido às forças de interação intermolecular...

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• - espectros ópticos de emissão, absorção e dispersão de luz pertencente a moléculas livres ou fracamente ligadas...

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ESPECTRO MOLECULAR- espectros de absorção, emissão ou dispersão decorrentes de transições quânticas moléculas de uma energia. estados para outro. EM. determinado pela composição da molécula, sua estrutura, a natureza do produto químico. comunicação e interação com o exterior campos (e, portanto, com os átomos e moléculas que o rodeiam). Naib. característica são M. s. gases moleculares rarefeitos quando não há alargamento de linhas espectrais pressão: tal espectro consiste em linhas estreitas com largura Doppler.

Arroz. 1. Diagrama dos níveis de energia de uma molécula diatômica: a E b-níveis eletrônicos; você" E você"" - oscilatório Números quânticos; J" E J."" - quantum rotacional números.

De acordo com três sistemas de níveis de energia em uma molécula - eletrônico, vibracional e rotacional (Fig. 1), M. s. consistem em um conjunto de vibrações eletrônicas. e gire. espectros e estão em uma ampla faixa de el-magn. ondas - de radiofrequências a raios X. áreas do espectro. Frequências de transições entre rotações. os níveis de energia geralmente caem na região de microondas (em uma escala de número de onda de 0,03-30 cm -1), as frequências de transição entre as oscilações. níveis - na região IR (400-10.000 cm -1), e as frequências de transição entre níveis eletrônicos - nas regiões visível e UV do espectro. Esta divisão é condicional porque é frequentemente rotacionada. as transições também caem na região IR, oscilações. transições - na região visível e transições eletrônicas - na região IR. Normalmente, as transições eletrônicas são acompanhadas por mudanças nas vibrações. energia da molécula e com vibrações. transições mudam e giram. energia. Portanto, na maioria das vezes o espectro eletrônico representa sistemas de vibrações eletrônicas. bandas, e com equipamento espectral de alta resolução sua rotação é detectada. estrutura. Intensidade de linhas e listras em M. s. é determinado pela probabilidade da transição quântica correspondente. Naib. linhas intensas correspondem a uma transição permitida regras de seleção.Para M.s. também incluem espectros Auger e espectros de raios X. espectros de moléculas (não considerados no artigo; veja Efeito Auger, espectroscopia Auger, espectros de raios X, espectroscopia de raios X).

Espectros eletrônicos. MS puramente eletrônico surgem quando a energia eletrônica das moléculas muda, se as vibrações não mudam. e gire. energia. MS eletrônico são observados tanto em absorção (espectros de absorção) quanto em emissão (espectros de luminescência). Durante as transições eletrônicas, a energia elétrica geralmente muda. momento dipolar da molécula. Eletrico. transição dipolo entre estados eletrônicos de uma molécula de simetria tipo G " e G "" (cm. Simetria de moléculas) é permitido se o produto direto Г " G "" contém o tipo de simetria de pelo menos um dos componentes do vetor momento dipolar d . Nos espectros de absorção, geralmente são observadas transições do estado eletrônico fundamental (totalmente simétrico) para estados eletrônicos excitados. É óbvio que para que tal transição ocorra, os tipos de simetria do estado excitado e do momento dipolar devem coincidir. Porque elétrico Como o momento dipolar não depende do spin, então durante uma transição eletrônica o spin deve ser conservado, ou seja, apenas transições entre estados com a mesma multiplicidade são permitidas (proibição de intercombinação). Esta regra, no entanto, é quebrada

para moléculas com fortes interações spin-órbita, o que leva a transições quânticas de intercombinação. Como resultado de tais transições, por exemplo, aparecem espectros de fosforescência, que correspondem a transições do estado triplo excitado para o estado fundamental. estado singleto.

Moléculas em diferentes estados eletrônicos geralmente têm geoms diferentes. simetria. Nesses casos, a condição G " G "" G d deve ser realizado para um grupo de pontos com configuração de baixa simetria. Entretanto, ao usar um grupo de permutação-inversão (PI), esse problema não surge, uma vez que o grupo PI para todos os estados pode ser escolhido para ser o mesmo.

Para moléculas lineares de simetria Com xy tipo de simetria do momento dipolar Г d=S + (d z)-P( d x , d y), portanto, para eles apenas as transições S + - S +, S - - S -, P - P, etc. são permitidas com o momento dipolar de transição direcionado ao longo do eixo da molécula, e as transições S + - P, P - D , etc. d. com o momento de transição direcionado perpendicularmente ao eixo da molécula (para designações de estados, ver Art. Molécula).

Probabilidade EM elétrico transição dipolo do nível eletrônico T para o nível eletrônico P, somado sobre todos os oscilatórios-rotacionais. níveis de nível eletrônico T, é determinado pelo f-loy:

elemento da matriz de momento dipolar para transição n-m, sim episódio e você eles- funções de onda dos elétrons. Coeficiente integral a absorção, que pode ser medida experimentalmente, é determinada pela expressão

Onde Nm- número de moléculas no início doença eu, vnm- frequência de transição TP. Freqüentemente, as transições eletrônicas são caracterizadas pela força do oscilador

Onde e E ou seja- carga e massa do elétron. Para transições intensas f nm ~ 1. A partir de (1) e (4) a média é determinada. vida útil do estado excitado:

Estas fórmulas também são válidas para oscilações. e gire. transições (neste caso, os elementos da matriz do momento dipolar devem ser redefinidos). Para transições eletrônicas permitidas, o coeficiente é geralmente absorção por vários ordens de grandeza maiores do que para oscilações. e gire. transições. Às vezes o coeficiente a absorção atinge um valor de ~10 3 -10 4 cm -1 atm -1, ou seja, bandas eletrônicas são observadas em pressões muito baixas (~10 -3 - 10 -4 mm Hg) e pequenas espessuras (~10-100 cm) da camada de substância.

Espectros vibracionais observado quando as flutuações mudam. energia (a energia eletrônica e rotacional não deve mudar). As vibrações normais das moléculas são geralmente representadas como um conjunto de harmônicos não interagentes. osciladores. Se nos restringirmos apenas aos termos lineares da expansão do momento dipolar d (no caso de espectros de absorção) ou polarizabilidade a (no caso de espalhamento Raman) ao longo de coordenadas normais Pk, então permitiu oscilações. apenas transições com mudança em um dos números quânticos você são consideradas transições k por unidade. Essas transições correspondem ao básico oscilar listras, elas flutuam. espectro máx. intenso.

Básico oscilar bandas de uma molécula poliatômica linear correspondendo a transições do básico. oscilar os estados podem ser de dois tipos: bandas paralelas (||), correspondentes a transições com o momento dipolar de transição direcionado ao longo do eixo da molécula, e bandas perpendiculares (1), correspondentes a transições com o momento dipolar de transição perpendicular ao eixo de a molécula. A faixa paralela consiste apenas em R- E R-ramos, e na faixa perpendicular existem

também resolvido P-ramo (Fig. 2). Espectro bandas de absorção de uma molécula simétrica do tipo topo também consistem em || E | listras, mas gire. a estrutura dessas listras (veja abaixo) é mais complexa; P-ramo em || a pista também não é permitida. Oscilações permitidas. listras indicam vk. Intensidade da banda vk depende do quadrado da derivada ( dd/dQ Para ) 2 ou ( d a/ dQk) 2 . Se a banda corresponder a uma transição de um estado excitado para um estado superior, então ela é chamada. quente.

Arroz. 2. Banda de absorção IR v 4 moléculas de SF 6, obtido em espectrômetro Fourier com resolução de 0,04 cm -1 ; o nicho mostra a estrutura fina linhas R(39), medido com laser de diodo espectrômetro com resolução de 10 -4 cm -1.

Levando em consideração a anarmonicidade das vibrações e dos termos não lineares nas expansões d e um por Pk transições proibidas pela regra de seleção para você também se tornam possíveis k. Transições com mudança em um dos números você k em 2, 3, 4, etc. sobretom (Du k=2 - primeiro tom, Du k=3 - segundo harmônico, etc.). Se dois ou mais números você mudar durante a transição k, então essa transição é chamada. combinacional ou total (se todos vocês Para aumento) e diferença (se algum de vocês k diminuir). As bandas harmônicas são designadas 2 vk, 3vk, ..., bandas totais vk + eu, 2vk + eu etc., e as bandas de diferença vk - eu, 2vk - e eu etc. Intensidades de banda 2u k, vk + eu E vk - eu depende da primeira e segunda derivadas d Por Pk(ou um por Pk) e cúbico. potencial de coeficientes de anarmonicidade. energia; as intensidades das transições mais altas dependem do coeficiente. graus mais elevados de decomposição d(ou a) e potencial. energia por Pk.

Para moléculas que não possuem elementos de simetria, todas as vibrações são permitidas. transições tanto durante a absorção da energia de excitação quanto durante a combinação. dispersão de luz. Para moléculas com centro de inversão (por exemplo, CO 2, C 2 H 4, etc.), as transições permitidas na absorção são proibidas para combinações. dispersão e vice-versa (proibição alternativa). Transição entre oscilações níveis de energia dos tipos de simetria Г 1 e Г 2 são permitidos na absorção se o produto direto Г 1 Г 2 contém o tipo de simetria do momento dipolar e são permitidos em combinação. espalhamento, se o produto Г 1

Г 2 contém o tipo de simetria do tensor de polarizabilidade. Esta regra de seleção é aproximada, pois não leva em consideração a interação das vibrações. movimentos com eletrônico e girar. movimentos. Levar em consideração essas interações leva ao aparecimento de bandas proibidas de acordo com vibrações puras. regras de seleção.

Estudo de oscilações. EM. permite que você instale o harmon. frequências de vibração, constantes de anarmonicidade. De acordo com flutuações Os espectros estão sujeitos a conformação. análise

Palestra nº 6

Energia Molecular

ÁtomoÉ chamada a menor partícula de um elemento químico que possui suas propriedades químicas.

Um átomo consiste em um núcleo carregado positivamente e elétrons movendo-se em seu campo. A carga do núcleo é igual à carga de todos os elétrons. Íon de um determinado átomo é uma partícula eletricamente carregada formada quando os átomos perdem ou ganham elétrons.

Moléculaé a menor partícula de uma substância homogênea que possui suas propriedades químicas básicas.

As moléculas consistem em átomos idênticos ou diferentes conectados entre si por ligações químicas interatômicas.

Para compreender as razões pelas quais átomos eletricamente neutros podem formar uma molécula estável, nos limitaremos a considerar as moléculas diatômicas mais simples, constituídas por dois átomos idênticos ou diferentes.

As forças que mantêm um átomo em uma molécula são causadas pela interação de elétrons externos. Quando os átomos se combinam em uma molécula, os elétrons das camadas internas permanecem em seus estados anteriores.

Se os átomos estiverem muito distantes uns dos outros, eles não interagem entre si. À medida que os átomos se aproximam, as forças de atração mútua aumentam. Em distâncias comparáveis ​​​​aos tamanhos dos átomos, aparecem forças de repulsão mútua, que não permitem que os elétrons de um átomo penetrem muito profundamente nas camadas eletrônicas de outro átomo.

As forças repulsivas são mais “de curto alcance” do que as forças atrativas. Isto significa que à medida que a distância entre os átomos aumenta, as forças repulsivas diminuem mais rapidamente do que as forças atrativas.

O gráfico da força atrativa, da força repulsiva e da força de interação resultante entre os átomos em função da distância é assim:

A energia de interação dos elétrons em uma molécula é determinada pelo arranjo mútuo dos núcleos atômicos e é função da distância, ou seja

A energia total de toda a molécula também inclui a energia cinética dos núcleos em movimento.

Por isso,

.

Isso significa que é a energia potencial de interação entre os núcleos.

Então representa a força de interação entre átomos em uma molécula diatômica.

Assim, o gráfico da dependência da energia potencial de interação dos átomos de uma molécula com a distância entre os átomos tem a forma:

A distância interatômica de equilíbrio em uma molécula é chamada comprimento da conexão. A quantidade D é chamada energia de dissociação molecular ou energia de ligação.É numericamente igual ao trabalho que deve ser realizado para quebrar as ligações químicas dos átomos em moléculas e removê-las além da ação das forças interatômicas. A energia de dissociação é igual à energia liberada durante a formação da molécula, mas tem sinal oposto. A energia de dissociação é negativa e a energia liberada durante a formação de uma molécula é positiva.

A energia de uma molécula depende da natureza do movimento dos núcleos. Este movimento pode ser dividido em translacional, rotacional e oscilatório. A pequenas distâncias entre os átomos de uma molécula e um volume suficientemente grande do recipiente fornecido às moléculas, energia direta tem um espectro contínuo e seu valor médio é igual a, isto é.

Energia rotacional tem um espectro discreto e pode assumir valores

,

onde I é o número quântico rotacional;

J é o momento de inércia da molécula.

Energia do movimento vibracional também tem um espectro discreto e pode assumir valores

,

onde está o número quântico vibracional;

– frequência natural deste tipo de oscilação.

Quando o nível vibracional mais baixo tem energia zero

A energia do movimento rotacional e translacional corresponde à forma cinética da energia, a energia do movimento oscilatório corresponde à forma potencial. Conseqüentemente, as etapas de energia do movimento vibracional de uma molécula diatômica podem ser representadas em um gráfico.

As etapas de energia do movimento rotacional de uma molécula diatômica estão localizadas de maneira semelhante, apenas a distância entre elas é muito menor que a das mesmas etapas do movimento vibracional.

Principais tipos de ligações interatômicas

Existem dois tipos de ligações atômicas: iônico (ou heteropolar) e covalente (ou homeopolar).

Ligação iônica ocorre nos casos em que os elétrons de uma molécula estão dispostos de tal forma que se forma um excesso próximo a um dos núcleos e uma deficiência próxima ao outro. Assim, a molécula parece consistir em dois íons de sinais opostos, atraídos um pelo outro. Exemplos de moléculas com ligações iônicas são NaCl, KCl, RbF, CsJ etc. formado pela combinação de átomos de elementos EU-Óh, e VII-º grupo do sistema periódico de Mendeleev. Nesse caso, um átomo que adicionou um ou mais elétrons a si mesmo adquire uma carga negativa e se torna um íon negativo, e um átomo que doa o número correspondente de elétrons se transforma em um íon positivo. A soma total das cargas positivas e negativas dos íons é zero. Portanto, as moléculas iônicas são eletricamente neutras. As forças que garantem a estabilidade da molécula são de natureza elétrica.

Para que ocorra uma ligação iônica, é necessário que a energia de remoção de elétrons, ou seja, o trabalho de criação de um íon positivo, seja menor que a soma da energia liberada durante a formação dos íons negativos e a energia de seus mútuos. atração.

É bastante óbvio que a formação de um íon positivo a partir de um átomo neutro requer menos trabalho no caso em que ocorrem elétrons localizados na camada de elétrons que começou a se acumular.

Por outro lado, a maior energia é liberada quando um elétron se liga a átomos de halogênio, que carecem de um elétron antes de preencher a camada eletrônica. Portanto, uma ligação iônica é formada através da transferência de elétrons, o que leva à criação de camadas eletrônicas preenchidas nos íons resultantes.

Outro tipo de conexão - ligação covalente.

Quando moléculas constituídas por átomos idênticos são formadas, a formação de íons com carga oposta é impossível. Portanto, a ligação iônica não é possível. Porém, na natureza existem substâncias cujas moléculas são formadas por átomos idênticos H 2, O 2, N 2 etc. A ligação em substâncias deste tipo é chamada covalente ou homeopolar(homeo – diferente [grego]). Além disso, ligações covalentes também são observadas em moléculas com átomos diferentes: fluoreto de hidrogênio AF,óxido nítrico NÃO, metano Capítulo 4 etc.

A natureza das ligações covalentes só pode ser explicada com base na mecânica quântica. A explicação da mecânica quântica é baseada na natureza ondulatória do elétron. A função de onda dos elétrons externos de um átomo não para abruptamente à medida que a distância do centro do átomo aumenta, mas diminui gradualmente. À medida que os átomos se aproximam, as nuvens difusas de elétrons externos se sobrepõem parcialmente, causando sua deformação. Um cálculo preciso da mudança no estado dos elétrons requer a resolução da equação de onda de Schrödinger para o sistema de todas as partículas participantes da interação. A complexidade e o incômodo deste caminho obrigam-nos a limitar-nos aqui apenas a uma consideração qualitativa dos fenômenos.

No caso mais simples e- estado de um elétron, a nuvem de elétrons é uma esfera de um determinado raio. Se ambos os elétrons em uma molécula covalente trocam de lugar, o elétron 1, anteriormente pertencente ao núcleo " A", irá para o lugar do elétron 2, que pertencia ao núcleo " b", e o elétron 2 fizer uma transição reversa, nada mudará no estado da molécula covalente.

O princípio de Pauli permite a existência de dois elétrons no mesmo estado com spins opostos. A fusão de regiões onde ambos os elétrons podem estar localizados significa o surgimento entre eles de uma mecânica quântica especial. interação de troca. Neste caso, cada um dos elétrons da molécula pode pertencer alternadamente a um ou outro núcleo.

Como mostram os cálculos, a energia de troca de uma molécula é positiva se os spins dos elétrons em interação forem paralelos e negativa se não forem paralelos.

Assim, o tipo de ligação covalente é fornecido por um par de elétrons com spins opostos. Se numa ligação iônica estávamos falando da transferência de elétrons de um átomo para outro, então aqui a conexão é feita generalizando os elétrons e criando um espaço comum para seu movimento.

Espectros moleculares

Os espectros moleculares são muito diferentes dos espectros atômicos. Enquanto os espectros atômicos consistem em linhas individuais, os espectros moleculares consistem em bandas nítidas em uma extremidade e borradas na outra. Portanto, os espectros moleculares também são chamados espectros listrados.

As bandas nos espectros moleculares são observadas nas faixas de frequência infravermelha, visível e ultravioleta das ondas eletromagnéticas. Nesse caso, as listras são dispostas em uma determinada sequência, formando uma série de listras. Existem várias séries no espectro.

A mecânica quântica fornece uma explicação para a natureza dos espectros moleculares. A interpretação teórica dos espectros de moléculas poliatômicas é muito complexa. Limitar-nos-emos a considerar apenas moléculas diatômicas.

Anteriormente, observamos que a energia de uma molécula depende da natureza do movimento dos núcleos atômicos e identificamos três tipos dessa energia: translacional, rotacional e vibracional. Além disso, a energia de uma molécula também é determinada pela natureza do movimento dos elétrons. Este tipo de energia é chamado energia eletrônica e é um componente da energia total da molécula.

Assim, a energia total da molécula é:

Uma mudança na energia de translação não pode levar ao aparecimento de uma linha espectral no espectro molecular, portanto excluiremos este tipo de energia em considerações posteriores dos espectros moleculares. Então

De acordo com a regra de frequência de Bohr ( III- Postulado de Bohr) a frequência do quantum emitido por uma molécula quando seu estado de energia muda é igual a

.

A experiência e os estudos teóricos têm mostrado que

Portanto, com excitações fracas só muda, com excitações mais fortes -, com excitações ainda mais fortes -. Vamos discutir com mais detalhes os diferentes tipos de espectros moleculares.

Espectro rotacional de moléculas

Vamos começar a explorar a absorção de ondas eletromagnéticas com pequenas porções de energia. Até que o valor do quantum de energia se torne igual à distância entre os dois níveis mais próximos, a molécula não absorverá. Aumentando gradativamente a frequência, chegaremos aos quanta capazes de elevar uma molécula de um passo rotacional a outro. Isso ocorre na região das ondas infravermelhas da ordem de 0,1 -1 mm.

,

onde e são os valores do número quântico rotacional nos -ésimo e -ésimo níveis de energia.

Números quânticos rotacionais e podem ter valores, ou seja, suas possíveis alterações são limitadas pela regra de seleção

A absorção de um quantum por uma molécula o transfere de um nível de energia rotacional para outro, superior, e leva ao aparecimento de uma linha espectral no espectro de absorção rotacional. À medida que o comprimento de onda diminui (isto é, o número muda), mais e mais novas linhas do espectro de absorção aparecem nesta região. A totalidade de todas as linhas dá uma ideia da distribuição dos estados de energia rotacional da molécula.

Até agora consideramos o espectro de absorção da molécula. O espectro de emissão da molécula também é possível. O aparecimento de linhas no espectro de emissão rotacional está associado à transição da molécula do nível de energia rotacional superior para o inferior.

Os espectros rotacionais permitem determinar distâncias interatômicas em moléculas simples com grande precisão. Conhecendo o momento de inércia e a massa dos átomos, é possível determinar as distâncias entre os átomos. Para uma molécula diatômica

Espectro vibracional-rotacional de moléculas

A absorção de ondas eletromagnéticas por uma substância na região do infravermelho com comprimento de onda de mícrons causa transições entre níveis de energia vibracional e leva ao aparecimento de um espectro vibracional da molécula. No entanto, quando os níveis de energia vibracional de uma molécula mudam, os seus estados de energia rotacional mudam simultaneamente. As transições entre dois níveis de energia vibracional são acompanhadas por mudanças nos estados de energia rotacional. Neste caso, aparece um espectro vibracional-rotacional da molécula.

Se uma molécula vibra e gira simultaneamente, então sua energia será determinada por dois números quânticos e:

.

Levando em consideração as regras de seleção para ambos os números quânticos, obtemos a seguinte fórmula para as frequências do espectro vibracional-rotacional (a fórmula anterior /h e descartamos o nível de energia anterior, ou seja, os termos entre colchetes):

.

Neste caso, o sinal (+) corresponde às transições de um nível rotacional inferior para um superior, e o sinal (-) corresponde à posição oposta. A parte vibracional da frequência determina a região espectral na qual a banda está localizada; a parte rotacional determina a estrutura fina da tira, ou seja, divisão de linhas espectrais individuais.

De acordo com os conceitos clássicos, a rotação ou vibração de uma molécula diatômica pode levar à emissão de ondas eletromagnéticas somente se a molécula tiver um momento dipolar diferente de zero. Esta condição é satisfeita apenas para moléculas formadas por dois átomos diferentes, ou seja, para moléculas assimétricas.

Uma molécula simétrica formada por átomos idênticos tem momento de dipolo zero. Portanto, de acordo com a eletrodinâmica clássica, a vibração e a rotação de tal molécula não podem causar radiação. A teoria quântica leva a resultados semelhantes.

Espectro vibracional eletrônico de moléculas

A absorção de ondas eletromagnéticas na faixa visível e ultravioleta leva a transições da molécula entre diferentes níveis de energia eletrônica, ou seja, ao aparecimento do espectro eletrônico da molécula. Cada nível de energia eletrônica corresponde a uma certa distribuição espacial de elétrons, ou, como se costuma dizer, a uma certa configuração de elétrons com energia discreta. Cada configuração de elétrons corresponde a muitos níveis de energia vibracional.

Uma transição entre dois níveis eletrônicos é acompanhada por muitas transições entre níveis vibracionais. É assim que surge o espectro vibracional eletrônico da molécula, constituído por grupos de linhas próximas.

Um sistema de níveis rotacionais é sobreposto a cada estado de energia vibracional. Portanto, a frequência de um fóton durante uma transição eletrônico-vibracional será determinada por uma mudança em todos os três tipos de energia:

.

Frequência - determina a posição do espectro.

Todo o espectro vibracional eletrônico é um sistema de vários grupos de bandas, muitas vezes sobrepostas entre si e formando uma banda larga.

O estudo e interpretação de espectros moleculares permitem compreender a estrutura detalhada das moléculas e é amplamente utilizado para análises químicas.

Dispersão Raman

Este fenômeno reside no fato de que no espectro de espalhamento que ocorre quando a luz passa por gases, líquidos ou corpos cristalinos transparentes, junto com o espalhamento da luz com frequência constante, aparecem uma série de frequências superiores ou inferiores, correspondentes às frequências de transições vibracionais ou rotacionais de moléculas espalhadas.

O fenômeno do espalhamento Raman tem uma explicação simples da mecânica quântica. O processo de dispersão da luz pelas moléculas pode ser considerado como uma colisão inelástica de fótons com moléculas. Durante uma colisão, um fóton pode dar ou receber de uma molécula apenas quantidades de energia que sejam iguais às diferenças entre seus dois níveis de energia. Se, ao colidir com um fóton, uma molécula passa de um estado de menor energia para um estado de maior energia, ela perde sua energia e sua frequência diminui. Isso cria uma linha no espectro da molécula, deslocada em relação à principal para comprimentos de onda mais longos. Se, após uma colisão com um fóton, uma molécula passa de um estado de maior energia para um estado de menor energia, cria-se uma linha no espectro que se desloca em relação ao principal em direção a comprimentos de onda mais curtos.

Os estudos de espalhamento Raman fornecem informações sobre a estrutura das moléculas. Usando este método, as frequências vibracionais naturais das moléculas são determinadas de forma fácil e rápida. Também nos permite julgar a natureza da simetria da molécula.

Luminescência

Se as moléculas de uma substância puderem ser levadas a um estado excitado sem aumentar sua energia cinética média, ou seja, sem aquecimento, ocorre o brilho desses corpos ou luminescência.

Existem dois tipos de luminescência: fluorescência E fosforescência.

Fluorescência chamada luminescência, que cessa imediatamente após o término da ação do excitador de luminescência.

Com a fluorescência, ocorre uma transição espontânea das moléculas de um estado excitado para um nível inferior. Este tipo de brilho tem uma duração muito curta (cerca de 10 a 7 segundos).

Fosforescência chamada luminescência, que mantém seu brilho por muito tempo após a ação do excitador de luminescência.

Durante a fosforescência, uma molécula passa de um estado excitado para um nível metaestável. Metaestável Este é um nível a partir do qual é improvável uma transição para um nível inferior. A emissão pode ocorrer se a molécula retornar ao nível excitado novamente.

A transição de um estado metaestável para um estado excitado só é possível na presença de excitação adicional. Esse patógeno adicional pode ser a temperatura da substância. Em altas temperaturas esta transição ocorre rapidamente, em baixas temperaturas ocorre lentamente.

Como já observamos, a luminescência sob a influência da luz é chamada fotoluminescência, sob a influência do bombardeio de elétrons – catodoluminescência, sob a influência de um campo elétrico – eletroluminescência, sob a influência de transformações químicas - quimioluminescência.

Amplificadores quânticos e geradores de radiação

Em meados da década de 50 do nosso século, começou o rápido desenvolvimento da eletrônica quântica. Em 1954, os trabalhos dos acadêmicos N.G. Basov e A.M. apareceram na URSS. Prokhorov, no qual um gerador quântico de ondas de rádio ultracurtas na faixa centimétrica, chamado maser(amplificação de microware por emissão estimulada de radiação). Uma série de geradores e amplificadores de luz nas regiões visível e infravermelha, surgidos na década de 60, foram chamados geradores quânticos ópticos ou laser(Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação).

Ambos os tipos de dispositivos operam com base no efeito da radiação estimulada ou estimulada.

Vejamos esse tipo de radiação com mais detalhes.

Esse tipo de radiação é o resultado da interação de uma onda eletromagnética com os átomos da substância por onde passa a onda.

Nos átomos, as transições de níveis de energia mais elevados para níveis mais baixos ocorrem espontaneamente (ou espontaneamente). No entanto, sob a influência da radiação incidente, tais transições são possíveis tanto na direção direta quanto na reversa. Essas transições são chamadas forçado ou induzido. Durante uma transição forçada de um dos níveis excitados para um nível de baixa energia, o átomo emite um fóton adicional ao fóton sob a influência do qual a transição foi feita.

Neste caso, a direção de propagação deste fóton e, conseqüentemente, de toda radiação estimulada coincide com a direção de propagação da radiação externa que causou a transição, ou seja, a emissão estimulada é estritamente coerente com a emissão motriz.

Assim, o novo fóton resultante da emissão estimulada amplifica a luz que passa pelo meio. Porém, simultaneamente à emissão induzida, ocorre o processo de absorção de luz, pois O fóton condutor é absorvido por um átomo localizado em um nível de energia baixo e o átomo se move para um nível de energia mais alto. E

O processo de transferência do ambiente para um estado inverso é denominado bombeado melhorando o ambiente. Existem muitos métodos para bombear um meio de ganho. O mais simples deles é o bombeamento óptico de um meio, no qual os átomos são transferidos de um nível inferior para um nível excitado superior, irradiando luz com uma frequência tal que.

Em um meio com estado inverso, a emissão estimulada excede a absorção da luz pelos átomos, como resultado o feixe de luz incidente será amplificado.

Consideremos um dispositivo que utiliza tal meio, utilizado como gerador de ondas na faixa óptica ou laser.

Sua parte principal é um cristal de rubi artificial, que é um óxido de alumínio no qual alguns átomos de alumínio são substituídos por átomos de cromo. Quando um cristal de rubi é irradiado com luz de comprimento de onda 5600, os íons de cromo passam para o nível de energia superior.

A transição de retorno ao estado fundamental ocorre em dois estágios. No primeiro estágio, os íons excitados cedem parte de sua energia para a rede cristalina e entram em um estado metaestável. Os íons permanecem neste nível por mais tempo do que no nível superior. Como resultado, um estado inverso de nível metaestável é alcançado.

O rubi utilizado no laser tem a forma de uma haste com diâmetro de 0,5 cm e comprimento de 4 a 5 cm. As pontas planas dessa haste são polidas e prateadas de modo que formem dois espelhos frente a frente, um deles sendo translúcidos. Todo o bastão de rubi está localizado próximo a um tubo de elétrons pulsados, que é usado para bombear opticamente o meio. Os fótons cujas direções de movimento formam pequenos ângulos com o eixo do rubi experimentam múltiplas reflexões em suas extremidades.

Portanto, seu caminho no cristal será muito longo, e as cascatas de fótons nessa direção receberão o maior desenvolvimento.

Os fótons emitidos espontaneamente em outras direções saem do cristal através de sua superfície lateral sem causar mais radiação.

Quando o feixe axial se torna suficientemente intenso, parte dele sai pela extremidade translúcida do cristal para o exterior.

Uma grande quantidade de calor é gerada dentro do cristal. Portanto, deve ser resfriado intensamente.

A radiação laser possui vários recursos. É caracterizado por:

1. coerência temporal e espacial;

2. monocromático estrito;

3. alta potência;

4. estreiteza do feixe.

A elevada coerência da radiação abre amplas perspectivas para a utilização de lasers para radiocomunicações, em particular para radiocomunicações direccionais no espaço. Se for encontrada uma forma de modular e demodular a luz, será possível transmitir uma enorme quantidade de informações. Assim, em termos de volume de informações transmitidas, um laser poderia substituir todo o sistema de comunicação entre as costas leste e oeste dos Estados Unidos.

A largura angular do feixe de laser é tão pequena que, por meio da focagem telescópica, é possível obter um ponto de luz com diâmetro de 3 km na superfície lunar. A alta potência e estreiteza do feixe permitem, ao focar com uma lente, obter uma densidade de fluxo de energia 1000 vezes maior do que a densidade de fluxo de energia que pode ser obtida focalizando a luz solar. Tais feixes de luz podem ser usados ​​para usinagem e soldagem, para influenciar o curso de reações químicas, etc.

O que foi dito acima não esgota todas as capacidades do laser. É um tipo de fonte de luz completamente novo e ainda é difícil imaginar todas as áreas possíveis de sua aplicação.