6. előadás

Molekula energia

atom a legkisebb részecske kémiai elem kémiai tulajdonságaival.

Az atom egy pozitív töltésű magból és a mezőjében mozgó elektronokból áll. Az atommag töltése megegyezik az összes elektron töltésével. Ion egy adott atom elektromos töltésű részecskéjének nevezzük, amely az atomok elektronjainak elvesztésével vagy megszerzésével keletkezik.

molekula Egy homogén anyag legkisebb részecskéjének nevezzük, amelynek alapvető kémiai tulajdonságai vannak.

A molekulák azonos vagy különböző atomokból állnak, amelyeket atomközi kémiai kötések kötnek össze.

Annak megértéséhez, hogy az elektromosan semleges atomok miért alkothatnak stabil molekulát, a legegyszerűbb kétatomos molekulákra szorítkozunk, amelyek két azonos vagy különböző atomból állnak.

Az atomot a molekulában tartó erőket a külső elektronok kölcsönhatása okozza. A belső héjak elektronjai, amikor az atomokat molekulává egyesítik, azonos állapotban maradnak.

Ha az atomok nagy távolságra vannak egymástól, akkor nem lépnek kölcsönhatásba egymással. Amikor az atomok közelednek egymáshoz, a kölcsönös vonzás ereje megnő. Az atomok méretéhez mérhető távolságokon kölcsönösen taszító erők jelennek meg, amelyek nem engedik, hogy az egyik atom elektronjai túl mélyen behatoljanak egy másik atom elektronhéjába.

A taszító erők inkább "rövid hatótávolságúak", mint a vonzó erők. Ez azt jelenti, hogy az atomok közötti távolság növekedésével a taszító erők gyorsabban csökkennek, mint a vonzó erők.

Az atomok közötti vonzási erő, taszítóerő és az ebből eredő kölcsönhatási erő grafikonja a távolság függvényében a következő:

A molekulában lévő elektronok kölcsönhatási energiáját az atommagok kölcsönös elrendezése határozza meg, és a távolság függvénye, azaz

A teljes molekula összenergiájába beletartozik a mozgó atommagok mozgási energiája is.

Ennélfogva,

.

Ez azt jelenti, hogy az atommagok kölcsönhatásának potenciális energiája.

Ezután a kétatomos molekulában lévő atomok kölcsönhatási erejét jelenti.

Ennek megfelelően a molekulában lévő atomok kölcsönhatási energiájának az atomok közötti távolságtól való függésének diagramja a következőképpen alakul:

A molekulában lévő egyensúlyi atomközi távolságot ún kötés hossza. A D értéket nevezzük a molekula disszociációs energiája vagy kapcsolati energia. Számszerűen megegyezik azzal a munkával, amelyet el kell végezni annak érdekében, hogy az atomok kémiai kötéseit molekulákká bontsák és az interatomikus erők hatására eltávolítsák. A disszociációs energia egyenlő a molekula képződése során felszabaduló energiával, de ellentétes előjelű. A disszociációs energia negatív, a molekula képződése során felszabaduló energia pedig pozitív.

Egy molekula energiája a magok mozgásának természetétől függ. Ez a mozgás transzlációs, forgó és oszcilláló mozgásra osztható. Kis távolságra a molekulában lévő atomok és a molekulák számára biztosított edény kellően nagy térfogata között, transzlációs energia folytonos spektruma van, és középértéke , azaz .

Energia forgó mozgás diszkrét spektrummal rendelkezik, és felveheti az értékeket

,

ahol I a forgási kvantumszám;

J a molekula tehetetlenségi nyomatéka.

Energia oszcilláló mozgás diszkrét spektrummal is rendelkezik, és felveheti az értékeket

,

hol a rezgési kvantumszám;

az ilyen típusú rezgés természetes frekvenciája.

A legalacsonyabb rezgésszinten nulla az energia

A forgó és transzlációs mozgás energiája megfelel az energia kinetikus formájának, az oszcilláló mozgás energiájának - potenciálnak. Ezért egy kétatomos molekula rezgésmozgásának energialépései egy függőségi diagramon ábrázolhatók.

Egy kétatomos molekula forgómozgásának energialépései hasonló helyen helyezkednek el, csak a köztük lévő távolság sokkal kisebb, mint a rezgésmozgás azonos lépéseié.

Az atomközi kötés fő típusai

Kétféle atomi kötés létezik: ionos (vagy heteropoláris) és kovalens (vagy homeopoláris).

Ionos kötés akkor fordul elő, ha a molekulában az elektronok úgy vannak elrendezve, hogy az egyik atommag közelében felesleg, a másik közelében pedig hiány képződik. Így a molekula két ellentétes előjelű ionból áll, amelyek vonzódnak egymáshoz. Az ionos kötésű molekula például az NaCl, KCl, RbF, CsJ stb. elemek atomjainak kombinációjával jön létre én-ja és VII-adik csoport periodikus rendszer Mengyelejev. Ilyenkor egy vagy több elektront magához kötött atom negatív töltést kap és negatív ionná válik, a megfelelő számú elektront leadó atom pedig pozitív ionná alakul. Az ionok pozitív és negatív töltésének összege nulla. Ezért az ionos molekulák elektromosan semlegesek. A molekula stabilitását biztosító erők elektromos természetűek.

Az ionos kötés megvalósulásához szükséges, hogy az elektronleválás energiája, vagyis a pozitív ion létrehozásának munkája kisebb legyen, mint a negatív ionok képződése során felszabaduló energia és az energia összege. kölcsönös vonzalomról.

Teljesen nyilvánvaló, hogy a semleges atomból pozitív ion képzése abban az esetben igényel a legkevesebb munkát, amikor az elektronhéjban elhelyezkedő elektronok leválása megkezdődött.

Másrészt a legnagyobb energia akkor szabadul fel, ha egy elektron halogénatomokhoz kapcsolódik, amelyekből hiányzik egy elektron az elektronhéj kitöltéséhez. Ezért az elektronok ilyen átvitelében ionos kötés jön létre, amely töltött elektronhéjak létrehozásához vezet a kialakult ionokban.

A kapcsolat másik típusa az kovalens kötés.

Azonos atomokból álló molekulák képződésében ellentétes töltésű ionok megjelenése lehetetlen. Ezért az ionos kötés lehetetlen. A természetben azonban vannak olyan anyagok, amelyek molekulái azonos atomokból állnak. H 2, O 2, N 2 stb. Az ilyen típusú anyagokban való kötést ún kovalens vagy homeopoláris(homeo - más [görög]). Ezenkívül kovalens kötés is megfigyelhető a különböző atomokkal rendelkező molekulákban: hidrogén-fluorid HF, nitrogén-oxid NEM, metán CH 4 stb.

A kovalens kötés természetét csak a kvantummechanika alapján lehet megmagyarázni. A kvantummechanikai magyarázat az elektron hullámtermészetén alapul. Az atom külső elektronjainak hullámfüggvénye az atom középpontjától való távolság növekedésével nem szakad meg hirtelen, hanem fokozatosan csökken. Amikor az atomok közelednek egymáshoz, a külső elektronok elmosódott elektronfelhői részben átfedik egymást, ami deformációjukhoz vezet. Az elektronok állapotváltozásának pontos kiszámításához meg kell oldani a Schrödinger hullámegyenletet a kölcsönhatásban részt vevő összes részecske rendszerére. Ennek az útnak a bonyolultsága és nehézkessége arra késztet bennünket, hogy itt a jelenségek minőségi mérlegelésére szorítkozzunk.

A legegyszerűbb esetben s- Az elektron állapotában az elektronfelhő valamilyen sugarú gömb. Ha egy kovalens molekulában mindkét elektron kicserélődik úgy, hogy az 1-es elektron, amely korábban az atommaghoz tartozott " A", a 2. elektron helyére fog költözni, amely az atommaghoz tartozott" b", a 2. elektron pedig fordított átmenetet hajt végre, akkor a kovalens molekula állapotában semmi sem változik.

A Pauli-elv lehetővé teszi két azonos állapotú elektron létezését ellentétes irányú spinekkel. Azon régiók egyesülése, ahol mindkét elektron lehet, egy speciális kvantummechanika megjelenését jelenti közöttük csere interakció. Ebben az esetben a molekulában lévő elektronok mindegyike felváltva tartozhat egyik vagy másik atommaghoz.

A számításból kiderül, hogy egy molekula csereenergiája pozitív, ha a kölcsönhatásban lévő elektronok spinjei párhuzamosak, és negatív, ha nem párhuzamosak.

Tehát a kovalens típusú kötést egy ellentétes spinű elektronpár biztosítja. Ha az ionos kommunikációban az elektronok egyik atomról a másikra való átviteléről volt szó, akkor itt a kommunikáció az elektronok általánosításával és mozgásukhoz közös tér kialakításával valósul meg.

Molekuláris spektrumok

A molekuláris spektrumok nagyon különböznek az atomoktól. Míg az atomi spektrumok egyetlen vonalból állnak, a molekuláris spektrumok egyik végén éles, a másik végén elmosódott sávokból állnak. Ezért a molekulaspektrumokat is nevezik csíkos színképek.

A molekuláris spektrumban lévő sávok az elektromágneses hullámok infravörös, látható és ultraibolya frekvenciatartományában figyelhetők meg. Ebben az esetben a csíkok egy bizonyos sorrendben vannak elrendezve, és csíkok sorozatát alkotják. A spektrumban számos sorozat található.

Kvantummechanika magyarázatot ad a molekulaspektrumok természetére. A többatomos molekulák spektrumának elméleti értelmezése igen bonyolult. Csak a kétatomos molekulákra szorítkozunk.

Korábban megjegyeztük, hogy egy molekula energiája függ az atommagok mozgásának természetétől, és ennek az energiának három típusát azonosítottuk: transzlációs, forgó és vibrációs. Ezenkívül egy molekula energiáját az elektronok mozgásának jellege is meghatározza. Ezt az energiatípust ún elektronikus energiaés a molekula teljes energiájának összetevője.

Így a molekula teljes energiája:

A transzlációs energia változása nem vezethet spektrumvonal megjelenéséhez a molekulaspektrumban, ezért a molekulaspektrumok további vizsgálatánál ezt az energiát kizárjuk. Akkor

A Bohr frekvenciaszabály szerint ( III- Bohr posztulátum) egy molekula által kibocsátott kvantum energiaállapotának megváltozásakor a frekvenciája egyenlő

.

Tapasztalat és elméleti tanulmányok azt mutatta

Ezért gyenge gerjesztésnél csak , erősebbnél - , még erősebbnél - változik. Beszéljük meg részletesebben különböző fajták molekuláris spektrumok.

Molekulák forgási spektruma

Kezdjük el vizsgálni az elektromágneses hullámok elnyelését kis energiarészekből. Amíg az energiakvantum értéke nem lesz egyenlő a két legközelebbi szint távolságával, a molekula nem fog elnyelni. Fokozatosan növelve a frekvenciát, elérjük azt a kvantumot, amely képes a molekulát egyik forgási lépésből a másikba emelni. Ez a 0,1-1 mm nagyságrendű infravörös hullámok tartományában fordul elő.

,

ahol és a forgási kvantumszám értékei a -edik és -edik energiaszinten.

A forgási kvantumszámok és értékekkel rendelkezhetnek, pl. lehetséges változtatásaikat a kiválasztási szabály korlátozza

A kvantum molekula általi abszorpciója átviszi azt egyik forgási energiaszintről a másikra, magasabbra, és a forgási abszorpciós spektrum spektrális vonalának megjelenéséhez vezet. A hullámhossz csökkenésével (vagyis a szám változásával) az abszorpciós spektrum egyre több új vonala jelenik meg ebben a tartományban. Az összes vonal összessége képet ad a molekula forgási energiaállapotainak eloszlásáról.

Eddig egy molekula abszorpciós spektrumát vettük figyelembe. A molekula emissziós spektruma is lehetséges. A forgási emissziós spektrum vonalainak megjelenése a molekula felső forgási energiaszintről az alsó szintre való átmenetéhez kapcsolódik.

A forgási spektrumok lehetővé teszik az atomközi távolságok nagy pontosságú meghatározását egyszerű molekulákban. A tehetetlenségi nyomaték és az atomtömegek ismeretében meg lehet határozni az atomok közötti távolságokat. Kétatomos molekulához

Molekulák vibrációs-forgási spektruma

Az elektromágneses hullámok anyag általi elnyelése az infravörös tartományban mikron hullámhosszúsággal átmeneteket okoz a rezgési energiaszintek között, és a molekula rezgésspektrumának megjelenéséhez vezet. Ha azonban egy molekula rezgési energiaszintje megváltozik, akkor a forgási energiaállapotai is egyidejűleg változnak. A két rezgési energiaszint közötti átmeneteket a forgási energiaállapotok megváltozása kíséri. Ebben az esetben a molekula rezgési-forgási spektruma keletkezik.

Ha egy molekula egyszerre oszcillál és forog, akkor energiáját kettő határozza meg kvantumszámokÉs:

.

Figyelembe véve mindkét kvantumszám kiválasztási szabályait, a következő képletet kapjuk a rezgési-forgási spektrum frekvenciáira (az előző /h képletet és az előző energiaszintet, azaz a zárójelben lévő kifejezéseket hagyjuk el):

.

Ebben az esetben a (+) jel az alacsonyabb forgási szintről a magasabbra való átmeneteknek, a (-) jel pedig a fordított helyzetnek felel meg. A frekvencia rezgési része határozza meg azt a spektrális tartományt, amelyben a sáv található; a forgó rész határozza meg a szalag finom szerkezetét, azaz. az egyes spektrumvonalak felosztása.

A klasszikus elképzelések szerint egy kétatomos molekula forgása vagy rezgése csak akkor vezethet elektromágneses hullámok kibocsátásához, ha a molekula dipólusmomentuma nem nulla. Ez a feltétel csak a két különböző atom által alkotott molekulák esetében teljesül, pl. aszimmetrikus molekulákhoz.

Az azonos atomokból álló szimmetrikus molekula dipólusmomentuma egyenlő nullával. Ezért a klasszikus elektrodinamika szerint egy ilyen molekula vibrációja és forgása nem okozhat sugárzást. Kvantum elmélet hasonló eredményhez vezet.

Molekulák elektronikus rezgésspektruma

Az elektromágneses hullámok abszorpciója a látható és az ultraibolya tartományban a molekula különböző elektronikus energiaszintek közötti átmeneteihez vezet, pl. a molekula elektronspektrumának megjelenéséig. Minden egyes elektronikus energiaszint megfelel az elektronok egy bizonyos térbeli eloszlásának, vagy ahogy mondják, egy bizonyos elektronkonfigurációnak, amelynek diszkrét energiája van. Az elektronok minden konfigurációja a rezgési energiaszintek halmazának felel meg.

A két elektronikus szint közötti átmenetet számos kísérő átmenet kíséri a rezgésszintek között. Így keletkezik a molekula elektronikus-rezgési spektruma, amely szoros vonalak csoportjaiból áll.

A forgási szintek rendszere minden rezgési energiaállapotra rá van rakva. Ezért a foton frekvenciáját az elektronikus-rezgés átmenet során mindhárom energiatípus változása határozza meg:

.

Frekvencia - meghatározza a spektrum helyzetét.

A teljes elektronikus-vibrációs spektrum több sávcsoport rendszere, amelyek gyakran átfedik egymást és széles sávot alkotnak.

A molekuláris spektrumok tanulmányozása és értelmezése lehetővé teszi a molekulák részletes szerkezetének megértését, és széles körben használják kémiai elemzésekhez.

Raman fényszóródás

Ez a jelenség abban áll, hogy abban a szóródási spektrumban, amely akkor keletkezik, amikor a fény gázokon, folyadékokon vagy átlátszó kristálytesteken halad át, az állandó frekvenciájú fényszóródással együtt számos magasabb vagy alacsonyabb frekvencia jelenik meg, amelyek megfelelnek a rezgési ill. forgási átmenetek, amelyek szétszórják a molekulákat.

A Raman-szórási jelenségnek egyszerű kvantummechanikai magyarázata van. A molekulák fényszórásának folyamata a fotonok molekulákkal való rugalmatlan ütközésének tekinthető. Egy foton ütközéskor csak akkora energiát tud adni vagy kapni egy molekulától, amely egyenlő a két energiaszintje közötti különbséggel. Ha egy molekula egy fotonnal való ütközéskor egy alacsonyabb energiájú állapotból egy nagyobb energiájú állapotba kerül, akkor elveszíti energiáját és frekvenciája csökken. Ez egy vonalat hoz létre a molekula spektrumában, amely a fővonalhoz képest hosszabb hullámhosszok felé tolódik el. Ha egy molekula fotonnal való ütközés után nagyobb energiájú állapotból alacsonyabb energiájú állapotba kerül, akkor a spektrumban egy vonal jön létre, amely a főhöz képest rövidebb hullámhosszok felé tolódik el.

A Raman-szórás vizsgálata információt nyújt a molekulák szerkezetéről. Ezzel a módszerrel könnyen és gyorsan meghatározható a molekulák természetes rezgési frekvenciája. Lehetővé teszi a molekula szimmetriájának természetének megítélését is.

Lumineszcencia

Ha egy anyag molekuláit az átlagos kinetikus energiájuk növelése nélkül gerjesztett állapotba lehet hozni, pl. fűtés nélkül, akkor ezeknek a testeknek a fénye vagy lumineszcenciája van.

A lumineszcenciának két típusa van: fluoreszcenciaÉs foszforeszcencia.

Fluoreszcencia lumineszcenciának nevezik, amely a ragyogás gerjesztője hatásának vége után azonnal megszűnik.

A fluoreszcencia során a molekulák spontán átalakulása gerjesztett állapotból alacsonyabb szintre megy végbe. Ez a fajta izzás nagyon rövid ideig tart (kb. 10-7 mp).

Foszforeszcencia lumineszcenciának nevezik hosszú idő a gerjesztő működése után.

A foszforeszcencia során a molekula gerjesztett állapotból metastabil állapotba megy át. Metastabil szintnek nevezik, amelyről az alacsonyabb szintre való átmenet valószínűtlen. Ebben az esetben sugárzás léphet fel, ha a molekula ismét visszatér a gerjesztett szintre.

A metastabil állapotból a gerjesztett állapotba való átmenet csak további gerjesztés jelenlétében lehetséges. Az anyag hőmérséklete ilyen további gerjesztő lehet. Magas hőmérsékleten ez az átmenet gyorsan, alacsony hőmérsékleten lassú.

Mint már említettük, a fény hatására létrejövő lumineszcenciát nevezzük fotolumineszcencia, elektronbombázás hatására - katódlumineszcencia, elektromos tér hatására - elektrolumineszcencia, kémiai átalakulások hatására - kemilumineszcencia.

Kvantumerősítők és sugárgenerátorok

Az 1950-es évek közepén megindult a kvantumelektronika rohamos fejlődése. 1954-ben N. G. Basov akadémikusok és A. M. Prohorov, aki ultrarövid rádióhullámok kvantumgenerátorát írta le a centiméteres tartományban, az ún. maser(mikroware-erősítés stimulált sugárzáskibocsátással). A 60-as években megjelent generátorok és fényerősítők sorozata a látható és infravörös tartományban ún. optikai kvantumgenerátorok vagy lézerek(Fénykibocsátás indukált emisszióval).

Mindkét típusú készülék a stimulált vagy indukált sugárzás hatására működik.

Nézzük meg részletesebben az ilyen típusú sugárzást.

Ez a fajta sugárzás egy elektromágneses hullám és az anyag atomjai közötti kölcsönhatás eredménye, amelyen a hullám áthalad.

Az atomokban a magasabb energiaszintekről az alacsonyabb szintekre való átmenet spontán (vagy spontán) történik. A beeső sugárzás hatására azonban az ilyen átmenetek mind előre, mind ellentétes irányban lehetségesek. Ezeket az átmeneteket ún kényszerű vagy indukált. Az egyik gerjesztett szintről az alacsony energiaszintre való kényszerített átmenet során az atom egy fotont bocsát ki, azon a foton mellett, amely alatt az átmenet megtörtént.

Ebben az esetben ennek a fotonnak, következésképpen a teljes stimulált sugárzásnak a terjedési iránya egybeesik az átmenetet okozó külső sugárzás terjedési irányával, azaz. a stimulált emisszió szigorúan koherens a stimulált emisszióval.

Így a stimulált emisszióból származó új foton felerősíti a közegen áthaladó fényt. Az indukált emisszióval egyidejűleg azonban a fényelnyelés folyamata is megtörténik, mert a gerjesztő sugárzás fotonját egy atom alacsony energiaszinten nyeli el, míg az atom magasabb energiaszintre kerül. És

A közeg inverz állapotba átvitelének folyamatát ún pumpált erősítő közeg. Számos módszer létezik az erősítő közeg pumpálására. Ezek közül a legegyszerűbb a közeg optikai pumpálása, melynek során az atomok az alsó szintről a felső gerjesztett szintre kerülnek át olyan frekvenciájú fény besugárzásával, hogy .

Fordított állapotú közegben a stimulált emisszió meghaladja az atomok fényelnyelését, aminek következtében a beeső fénysugár felerősödik.

Tekintsünk egy ilyen adathordozót használó eszközt, amelyet hullámgenerátorként használnak az optikai tartományban ill lézer.

Fő része egy mesterséges rubin kristály, amely egy alumínium-oxid, amelyben egyes alumíniumatomokat króm atomok helyettesítenek. Ha egy rubinkristályt 5600 hullámhosszú fénnyel sugároznak be, a krómionok a felső energiaszintre kerülnek.

Az alapállapotba való fordított átmenet két szakaszban történik. Az első szakaszban a gerjesztett ionok energiájuk egy részét a kristályrácsnak adják át, és metastabil állapotba kerülnek. Ezen a szinten az ionok hosszabbak, mint a tetején. Ennek eredményeként a metastabil szint fordított állapota érhető el.

Az ionok alapállapotba való visszatérését két piros vonal kibocsátása kíséri: és. Ez a visszatérés lavinaszerűen megy végbe azonos hullámhosszú fotonok hatására, pl. stimulált emisszióval. Ez a visszatérés sokkal gyorsabban megy végbe, mint a spontán emisszió esetén, így fényerősítés következik be.

A lézerben használt rubin 0,5 cm átmérőjű és 4-5 cm hosszúságú rúd alakú. A teljes rubin rúd egy pulzáló elektroncső közelében található, amelyet a közeg optikai pumpálására használnak. Azok a fotonok, amelyek mozgási irányai kis szöget zárnak be a rubin tengellyel, többszörös visszaverődést tapasztalnak a végeiről.

Ezért az útjuk a kristályban nagyon hosszú lesz, és ebben az irányban a fotonkaszkádok lesznek a legfejlettebbek.

A más irányokban spontán módon kibocsátott fotonok a kristályon keresztül lépnek ki oldalfelület anélkül, hogy további sugárzást okozna.

Amikor az axiális nyaláb kellően intenzívvé válik, egy része a kristály áttetsző végén át kifelé lép.

A kristály belsejében nagy mennyiségű hő szabadul fel. Ezért intenzíven hűteni kell.

A lézersugárzásnak számos jellemzője van. Jellemzői:

1. időbeli és térbeli koherencia;

2. szigorú monokromatikusság;

3. nagy hatalom;

4. a gerenda keskenysége.

A sugárzás nagy koherenciája széles távlatokat nyit meg a lézerek rádiókommunikációhoz, különösen az űrben történő irányított rádiókommunikációhoz való felhasználása előtt. Ha sikerül módot találni a fény modulálására és demodulálására, akkor hatalmas mennyiségű információ továbbítása lehetséges. Így a továbbított információ mennyiségét tekintve egy lézer helyettesítheti a teljes kommunikációs rendszert az Egyesült Államok keleti és nyugati partja között.

A lézersugár szögszélessége olyan kicsi, hogy teleszkópos fókuszálással 3 km átmérőjű fényfolt nyerhető a Hold felszínén. A sugár nagy teljesítménye és keskenysége lehetővé teszi, hogy objektívvel történő fókuszáláskor 1000-szer nagyobb energiaáram-sűrűséget kapjunk, mint a napfény fókuszálásával elérhető energiaáram-sűrűség. Az ilyen fénysugarak felhasználhatók megmunkálásra és hegesztésre, a pálya befolyásolására kémiai reakciók stb.

A fentiek messze nem merítik ki a lézer minden lehetőségét. Ez egy teljesen új típusú fényforrás, és még mindig nehéz elképzelni minden lehetséges alkalmazási területet.

Az egyes atomok kisugárzásának megfelelő spektrumok mellett léteznek egész molekulák által kibocsátott spektrumok is (61. §). A molekuláris spektrumok sokkal változatosabbak és szerkezetükben összetettebbek, mint az atomi spektrumok. Vannak vastagodó vonalsorok, amelyek hasonlóak az atomok spektrális sorozatához, de eltérő frekvenciatörvénnyel, és olyan szorosan elhelyezkedő vonalakkal, hogy folytonos sávokká egyesülnek (279. ábra). Tekintettel ezeknek a spektrumoknak a sajátos természetére, csíkosnak nevezik őket.

Rizs. 279. Csíkos spektrum

Ezzel együtt egyenlő távolságra lévő spektrumvonalak sorozatai, végül többsoros spektrumok figyelhetők meg, amelyekben első ránézésre nehéz szabályszerűségeket megállapítani (280. ábra). Megjegyzendő, hogy a hidrogén spektrumának vizsgálatakor mindig a Ha molekulaspektrumának szuperpozíciója van az atomspektrumon, és speciális intézkedéseket kell tenni az egyes hidrogénatomok által kibocsátott vonalak intenzitásának növelésére.

Rizs. 280. A hidrogén molekulaspektruma

Kvantum szempontból, akárcsak az esetben atomi spektrumok, a molekulaspektrum minden vonala kibocsátódik a molekula egyik álló energiaszintről a másikra való átmenete során. De egy molekula esetében sokkal több olyan tényező van, amelyektől az álló állapot energiája függ.

A kétatomos molekula legegyszerűbb esetben az energia három részből áll: 1) a molekula elektronhéjának energiája; 2) a molekulát alkotó atommagok rezgési energiái az őket összekötő egyenes mentén; 3) az atommagok közös tömegközéppont körüli forgási energiája. Mindhárom energiafajta kvantált, azaz csak diszkrét értéktartományt vehet fel. A molekula elektronhéja a molekulát alkotó atomok elektronhéjának fúziója eredményeként jön létre. Határesetnek tekinthető a molekulák energiaelektronikus állapota

nagyon erős Stark-hatás, amelyet a molekulát alkotó atomok interatomikus kölcsönhatása okoz. Bár az atomokat molekulákká kötő erők tisztán elektrosztatikus természetűek, helyes megértés A kémiai kötés csak a modern hullámmechanikai kvantumelmélet keretei között bizonyult lehetségesnek.

Kétféle molekula létezik: homeopoláris és heteropoláris. Az atommagok közötti távolság növekedésével a homeopoláris molekulák semleges részekre bomlanak. A hemopoláris molekulák közé tartoznak a molekulák, a heteropoláris molekulák pedig pozitív és negatív ionokra bomlanak, ahogy az atommagok közötti távolság nő. Jellemző példa A heteropoláris molekulák sók molekulái, például előző kiadás, 21. és 24. §).

Egy homeopoláris molekula elektronfelhőjének energiaállapotát nagymértékben az elektronok hullámtulajdonságai határozzák meg.

Tekintsük a legegyszerűbb molekula egy nagyon durva modelljét (egy ionizált hidrogénmolekulát, amely két potenciális „kutat” képvisel, amelyek egymástól közeli távolságban helyezkednek el, és egy „sorompó” választja el őket egymástól (281. ábra).

Rizs. 281. Két potenciális kút.

Rizs. 282. Elektron hullámfüggvényei távoli "lyukak" esetén.

Mindegyik "gödör" a molekulát alkotó atomok egyikét ábrázolja. Az atomok közötti nagy távolság mellett az elektronok mindegyikében kvantált energiaértékek vannak, amelyek megfelelnek az álló elektronhullámoknak az egyes „kútokban” külön-külön (63. §). ábrán. 282, a és b két azonos hullámfüggvényt ábrázolnak, amelyek leírják az elektronok állapotát az izolált atomokban. Ezek a hullámfüggvények ugyanannak az energiaszintnek felelnek meg.

Ahogy az atomok közelednek a molekulához, a "gödrök" közötti "gát" "átlátszóvá" válik (63. §), mert szélessége arányossá válik az elektronhullám hosszával. Ennek eredményeként ott

az atomok közötti elektroncsere a "gáton" keresztül, és nincs értelme egy elektronnak egyik vagy másik atomhoz való tartozásáról beszélni.

A hullámfüggvénynek most két formája lehet: c és d (283. ábra). A c eset megközelítőleg az a és b görbe összeadásának eredményének tekinthető (282. ábra), az eset a és b különbségének, de a c és d állapotoknak megfelelő energiák már nem pontosan egyenlők egymással. . Az állapot energiája valamivel kisebb, mint az állapot energiája, így minden atomszintről két molekuláris elektronszint keletkezik.

Rizs. 283. Elektron hullámfüggvényei szoros „lyukak” esetén.

Eddig a hidrogénmolekula ionjáról beszéltünk, amelynek egy elektronja van. Egy semleges hidrogénmolekulában két elektron található, ami miatt figyelembe kell venni spineik kölcsönös elrendezését. A Pauli-elvnek megfelelően a párhuzamos spinű elektronok „elkerülik” egymást, így az egyes elektronok megtalálásának valószínűségi sűrűsége az 1. ábra szerint oszlik meg. 284, a, azaz az elektronok leggyakrabban az atommagok közötti résen kívül helyezkednek el. Ezért párhuzamos spinekkel nem tud stabil molekula kialakulni. Éppen ellenkezőleg, az antiparallel spinek felelnek meg a legnagyobb valószínűségnek annak, hogy mindkét elektron az atommagok közötti résen belül található (294. ábra, b). Ebben az esetben a negatív elektrontöltés mindkét pozitív atommagot magához vonzza, és az egész rendszer egésze stabil molekulát alkot.

A heteropoláris molekulák esetében az elektrontöltéssűrűség-eloszlás mintázata sokkal klasszikusabb jellegű. Az egyik atommag körül elektrontöbblet csoportosul, a másik körül pedig éppen ellenkezőleg, elektronhiány van. Így a molekula összetételében két ion képződik, pozitív és negatív, amelyek vonzódnak egymáshoz: pl.

A molekulák elektronállapotainak szimbolikája sok hasonlóságot mutat az atomi szimbolikával. A molekulában természetesen a fő szerepet a magokat összekötő tengely iránya játssza. Itt bevezetjük az A kvantumszámot, analógiával az atomban lévő I-hez. A kvantumszám a molekula elektronfelhőjének eredő orbitális impulzusának a molekula tengelyére való vetületének abszolút értékét jellemzi.

A molekuláris elektronállapotok jelentése és szimbólumai között megfeleltetés van, hasonlóan az atomokhoz (67. §):

Az elektronfelhő eredő spinjének a molekula tengelyére vetületének abszolút értékét a 2-es kvantumszám, az elektronhéj teljes forgási impulzusának vetületét pedig a kvantumszámmal jellemezzük.

A kvantumszám analóg az atom belső kvantumszámával (59. és 67. §).

Rizs. 284. Az elektron megtalálásának valószínűségi sűrűsége a molekula különböző pontjain.

Az atomokhoz hasonlóan a molekulák is multiplicitást mutatnak, amelyet a létrejövő spin eltérő orientációja okoz a keletkező orbitális impulzushoz képest.

Ilyen körülmények között a molekulák elektronállapotait a következőképpen írjuk le:

ahol 5 a kapott pörgés értéke, és a megfelelő szimbólumok vagy A valamelyikét jelenti különböző jelentések A kvantumszám. Például a hidrogénmolekula normálállapota 2, a hidroxilmolekula normálállapota az oxigénmolekula normálállapota. A különböző elektronikus állapotok közötti átmenetek során kiválasztási szabályok zajlanak: .

Egy molekula rezgési energiáját, amely az atommagok rezgéseihez kapcsolódik, az atommagok hullámtulajdonságai alapján kvantáljuk. Feltételezve, hogy a molekula magjait kvázi rugalmas erő köti (a részecske potenciális energiája arányos az elmozdulás négyzetével, § 63), a Schrödinger-egyenletből a következő megengedett rezgésértékeket kapjuk ennek a rendszernek az energiája (harmonikus

oszcillátor):

ahol az atommagok természetes rezgésének gyakorisága a szokásos módon meghatározott (I. kötet, 57. §, 1959; az előző kiadásban 67. §):

ahol az atommagok redukált tömege; mindkét mag tömege; a molekula kvázi elasztikus állandója; kvantumszám egyenlő A tömeg nagy mérete miatt a frekvencia a spektrum infravörös tartományában található.

Rizs. 285. Egy molekula rezgési energiaszintjei.

A kvázi-elasztikus állandó az elektronhéj konfigurációjától függ, ezért a molekula különböző elektronállapotai esetén eltérő. Ez az állandó annál nagyobb, minél erősebb a molekula, azaz annál erősebb a kémiai kötés.

A (3) képlet egy egyenlő távolságra lévő energiaszintek rendszerének felel meg, amelyek közötti távolság egyenlő a Valójában az atommagok nagy amplitúdója mellett a helyreállító erő Hooke-törvényétől való eltérése már hatni kezd. Ennek eredményeként az energiaszintek közelednek (285. ábra). Megfelelően nagy amplitúdók esetén a molekula részekre bomlik.

Harmonikus oszcillátornál az átmenetek csak a -nál megengedettek, ami a frekvencia fény kibocsátásának vagy elnyelésének felel meg A harmonikusságtól való eltérések miatt a megfelelő átmenetek jelennek meg

A frekvenciák kvantumfeltétele szerint (58. §) ebben az esetben felhangoknak kell megjelenniük, ami a molekulák spektrumában figyelhető meg.

A rezgési energia viszonylag kis mértékben járul hozzá a molekula elektronfelhőjének energiájához. Az atommagok rezgései ahhoz a tényhez vezetnek, hogy minden elektronikus szintet szoros szintek rendszerévé alakítanak, amelyek megfelelnek a rezgési energia különböző értékeinek (286. ábra). Ez nem meríti ki a molekula energiaszint-rendszerének összetettségét.

Rizs. 286. Molekula rezgési és elektronenergiájának összeadása.

Figyelembe kell venni a molekuláris energia legkisebb összetevőjét is - a forgási energiát. A forgási energia megengedett értékeit a hullámmechanika szerint határozzák meg a nyomatékkvantálás elve alapján.

A hullámmechanika szerint bármely kvantált rendszer nyomatéka (§ 59) egyenlő

Ebben az esetben a és helyettesíti a 0, 1, 2, 3 stb.

Forgó test kinetikus energiája az előzőben. szerk. 42. §) végrendelet

ahol a tehetetlenségi nyomaték, w a forgási szögsebesség.

De másrészt a nyomaték egyenlő. Innen kapjuk:

vagy helyette az (5) kifejezést behelyettesítve végül megtaláljuk:

ábrán. 287 a molekula forgási szintjeit mutatja; a rezgési és atomi szintekkel ellentétben a forgási szintek közötti távolság a forgási szintek közötti növekvő átmenetekkel növekszik, míg a frekvenciájú vonalak kibocsátása

ahol Evrash felel meg megfelel

A (9) képlet a frekvenciákat adja meg

Rizs. 287. Egy molekula forgási energiájának szintjei.

Egyenlő távolságra lévő spektrumvonalakat kapunk, amelyek a spektrum távoli infravörös részén fekszenek. Ezen vonalak frekvenciájának mérése lehetővé teszi a molekula tehetetlenségi nyomatékának meghatározását, és kiderült, hogy a molekulák tehetetlenségi nyomatékai nagyságrendűek.

A centrifugális erő a molekula forgási sebességének növekedésével nő. A forgások jelenléte az egyes rezgési energiaszintek felosztásához vezet számos közeli alszintre, amelyek megfelelnek a forgási energia különböző értékeinek.

A molekula egyik energiaállapotból a másikba való átmenete során a molekula mindhárom energiatípusa egyszerre változhat (288. ábra). Ennek eredményeként minden egyes spektrumvonal, amely az elektron-rezgés átmenet során kibocsátható lenne, finom forgási struktúrát kap, és tipikus molekulasávká alakul.

Rizs. 288. Egy molekula mindhárom energiatípusának egyidejű változása

Ilyen egyenlő távolságra lévő vonalak gőzökben és vízben figyelhetők meg, és a spektrum távoli infravörös részén helyezkednek el. Nem ezeknek a gőzöknek az emissziós spektrumában, hanem az abszorpciós spektrumában figyelhetők meg, mert a molekulák sajátfrekvenciájának megfelelő frekvenciák erősebben nyelődnek el, mint a többi. ábrán. A 289. ábra egy sávot mutat a gőzök abszorpciós spektrumában a közeli infravörös tartományban. Ez a sáv az energiaállapotok közötti átmeneteknek felel meg, amelyek nemcsak a forgási energiában, hanem a rezgések energiájában is különböznek (az elektronhéjak állandó energiája mellett). Ebben az esetben és és Ekol egyszerre változik, ami nagy energiaváltozásokhoz vezet, azaz a spektrumvonalak frekvenciája nagyobb, mint az első esetben.

Ennek megfelelően a spektrumban olyan vonalak jelennek meg, amelyek a közeli infravörös részen helyezkednek el, hasonlóan az 1. ábrán láthatóhoz. 289.

Rizs. 289. Abszorpciós sáv.

A sáv középpontja (konstans Evrach melletti átmenetnek felel meg; a kiválasztási szabály szerint ilyen frekvenciákat nem bocsát ki a molekula. A magasabb frekvenciájú vonalak - rövidebb hullámhosszúak - olyan átmeneteknek felelnek meg, amelyekben az Europax változása hozzáadódik a Az alacsonyabb frekvenciájú vonalak (jobb oldali) az inverz összefüggésnek felelnek meg: a változás forgási energiája ellentétes előjelű.

Az ilyen sávok mellett a tehetetlenségi nyomaték változásával járó átmeneteknek megfelelő sávok figyelhetők meg, de ebben az esetben a (9) képlet szerint a vonalfrekvenciák attól függjenek, és a vonalak távolsága egyenlőtlenné váljon. Minden csík egy sor vonalból áll, amelyek az egyik széle felé vastagodnak,

amelyet szalagfejnek neveznek. Delandre már 1885-ben a következő empirikus képletet adta a sáv részét képező egyedi spektrumvonal frekvenciájára:

hol van egy egész szám.

A Delandre-képlet közvetlenül a fenti megfontolásokból következik. A Delandre-képlet grafikusan ábrázolható, ha az egyik tengely mentén, a másik mentén ábrázolunk (290. ábra).

Rizs. 290. A Delandre-formula grafikus ábrázolása.

A megfelelő vonalak az alábbiakban láthatók, amelyek, mint látjuk, egy tipikus csíkot alkotnak. Mivel a molekulaspektrum szerkezete erősen függ a molekula tehetetlenségi nyomatékától, a molekulaspektrumok vizsgálata az egyik megbízható módszer ennek a mennyiségnek a meghatározására. A molekula szerkezetének legkisebb változásai a spektrum vizsgálatával kimutathatók. A legérdekesebb körülmény az, hogy ugyanazon elem különböző izotópjait (86. §) tartalmazó molekulák spektrumában különböző vonalakkal kell rendelkezniük, amelyek megfelelnek ezen izotópok különböző tömegeinek. Ez abból következik, hogy az atomok tömege határozza meg a molekulában való rezgésük gyakoriságát és a tehetetlenségi nyomatékát egyaránt. Valójában a réz-klorid sávok négy komponensből állnak, a 63-as és 65-ös rézizotópok négy kombinációjából a 35-ös és 37-es klórizotópokkal:

A hidrogén nehéz izotópját tartalmazó molekuláknak megfelelő vonalakat is találtak, annak ellenére, hogy az izotóp koncentrációja a közönséges hidrogénben

Az atommagok tömegén kívül az atommagok egyéb tulajdonságai is befolyásolják a molekulaspektrumok szerkezetét. Különösen az atommagok forgási nyomatékai (pörgetései) játszanak nagyon fontos szerepet. Ha egy azonos atomokból álló molekulában az atommagok forgási nyomatéka nulla, akkor a forgási sáv minden második sora kiesik, ilyen hatás figyelhető meg például a molekulán.

Ha az atommagok szögnyomatékai nem zérusak, akkor a forgási sávban az intenzitások váltakozását okozhatják, a gyenge vonalak erős vonalakkal váltakoznak.)

Végül a rádióspektroszkópiai módszerekkel sikerült kimutatni és pontosan megmérni a molekulaspektrumok hiperfinom szerkezetét, az atommagok kvadrupol elektromos momentumához viszonyítva.

A kvadrupólus elektromos momentum az atommag alakjának a gömb alakútól való eltérése következtében jön létre. A mag lehet megnyúlt vagy lapított forgásellipszoid. Egy ilyen töltött ellipszoidot már nem lehet helyettesíteni az atommag közepén elhelyezett egyszerű ponttöltéssel.

Rizs. 291. "Atomórák" abszorbeáló szerkezete: 1 - téglalap alakú hullámvezető, amelynek keresztmetszete mindkét oldalon gáztömör válaszfalakkal 7 van lezárva, és alacsony nyomáson ammóniával van feltöltve;

2 - kristálydióda, amely létrehozza a rátáplált nagyfrekvenciás feszültség harmonikusait; 3 - kimeneti kristálydióda; 4 - frekvenciamodulált nagyfrekvenciás feszültség generátor; 5 - csővezeték a vákuumszivattyúhoz és az ammónia gáztartályhoz; 6 - kimenet impulzuserősítőhöz; 7 - válaszfalak; És - a kristálydióda áramának mutatója; B - vákuummérő.

Az atommag mezőjében a Coulomb-erő mellett egy járulékos erő jelenik meg, amely fordítottan arányos a távolság negyedik hatványával, és az atommag szimmetriatengelyének irányával bezárt szögtől függ. Egy további erő megjelenése egy kvadrupólmomentum jelenlétével jár a magban.

Első alkalommal állapították meg a kvadrupólmomentum jelenlétét az atommagban hagyományos spektroszkópiával, az atomvonalak hiperfinom szerkezetének bizonyos részleteit felhasználva. De ezek a módszerek nem tették lehetővé a pillanat nagyságának pontos meghatározását.

A radiospektroszkópiai módszernél a hullámvezetőt megtöltik a vizsgált molekuláris gázzal, és mérik a rádióhullámok abszorpcióját a gázban. A klistronok használata rádióhullámok generálására nagyfokú monokromatikus rezgéseket tesz lehetővé, amelyeket azután modulálnak. Különösen részletesen tanulmányozták az ammónia abszorpciós spektrumát a centiméteres hullámok tartományában, ebben a spektrumban egy hiperfinom szerkezetet találtak, ami a mag kvadrupolmomentuma és a mag kvadrupolmomentuma közötti kapcsolat meglétével magyarázható. elektromos mező maga a molekula.

A rádióspektroszkópia alapvető előnye a rádiófrekvenciának megfelelő fotonok alacsony energiája. Ennek köszönhetően a rádiófrekvenciák abszorpciójával lehetővé válik az atomok és molekulák rendkívül közeli energiaszintjei közötti átmenetek észlelése. A nukleáris hatások mellett a radiospektroszkópia módszere nagyon kényelmes az egész molekula elektromos dipólusmomentumainak meghatározására a molekulavonalak Stark-effektusából gyenge elektromos térben.

mezőket. Mögött utóbbi évek hatalmas számú munka jelent meg a különböző molekulák szerkezetének vizsgálatának radiospektroszkópiai módszerével kapcsolatban.A rádióhullámok ammóniában történő elnyelését használták ultraprecíz "atom" órák megépítéséhez (291. ábra).

A csillagászati ​​nap időtartama lassan növekszik, ráadásul a határokon belül ingadozik.Kívánatos egységesebb lefutású órákat építeni. Az "atomos" óra rádióhullámok kvarcgenerátora, amelynek frekvenciáját a generált hullámok ammóniában való elnyelése szabályozza. 1,25 cm-es hullámhosszon rezonancia lép fel az ammónia molekula természetes frekvenciájával, ami egy nagyon éles abszorpciós vonalnak felel meg. A generátor hullámhosszának ettől az értéktől való legkisebb eltérése megszakítja a rezonanciát, és a gáz átlátszóságának erős növekedéséhez vezet a rádiósugárzáshoz, amelyet a megfelelő berendezés rögzít, és aktiválja a generátor frekvenciáját visszaállító automatikát. Az "atom" órák már egyenletesebb irányt adtak, mint a Föld forgása. Feltételezzük, hogy a nap töredékének nagyságrendje szerinti pontosságot lehet elérni.

MOLEKULÁRIS SPEKTRA

Szabad vagy gyengén kötött molekulák emissziós, abszorpciós és Raman-szórási (Raman) spektruma. Tipikus M. oldalak - csíkosak, többé-kevésbé keskeny sávok formájában figyelhetők meg a spektrum UV, látható és IR tartományában; megfelelő felbontású spektrális műszerek móló. a csíkok szorosan egymás mellett elhelyezkedő vonalak halmazára szakadnak fel. M. szerkezete -val. eltérő a diff. molekulák és összetettebbé válik a molekulában lévő atomok számának növekedésével. A nagyon összetett molekulák látható és UV spektruma hasonló, és néhány széles, folytonos sávból áll. Kisasszony. energiaszintek közötti kvantumátmenetek során keletkeznek?" és?" molekulák az arány szerint:

ahol hv a v frekvenciájú kibocsátott vagy elnyelt foton energiája. Raman esetében hv egyenlő a beeső és a szórt fotonok energiáinak különbségével. Kisasszony. sokkal bonyolultabb, mint az atomspektrumok, amit a belső nagyobb összetettsége határoz meg. mozgások a molekulában, mert a molekulában lévő két vagy több atommaghoz viszonyított elektronok mozgása mellett van egy oszcilláció is. az atommagok (az őket körülvevő belső elemekkel együtt) mozgása az egyensúlyi helyzet körül és forog. mozgása egészében. Elektronikus, oszcilláló és forgasd. a molekula mozgása háromféle energiaszintnek felel meg?

quant szerint. mechanika, a molekulában lévő minden típusú mozgás energiája csak bizonyos értékeket vehet fel (kvantált). Mekkora a molekula összenergiája? hozzávetőlegesen a belső három típusának megfelelő kvantált energiaértékek összegeként ábrázolható. mozgások:

el + count + vr, (2) és nagyságrendben

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

ahol m az elektron tömege, M pedig a molekulában lévő atommagok tömegének sorrendje, azaz.

El -> ?count ->?vr. (4) Általában többet rendel. eV (több száz kJ/mol), ?col = 10-2-10-1 eV, ?vr = 10-5-10-3 eV.

Egy molekula energiaszintrendszerét egymástól távol elhelyezkedő elektronikus energiaszintek halmazai jellemzik (dec. ?el at?col=?vr=0). egymáshoz sokkal közelebb elhelyezkedő rezgésszintek (különbség ?col adott?el és?rot=0) és rotációs szintek még közelebb egymáshoz (érték?rot adott?el és?col).

ábrán látható elektronikus energiaszintek a-tól b-ig. 1 megfelel a molekula egyensúlyi konfigurációinak. Minden egyes elektronikus állapot egy bizonyos egyensúlyi konfigurációnak és egy bizonyos értéknek felel meg? legkisebb érték főnek felel meg elektronikus állapot (a molekula alapvető elektronikus energiaszintje).

Rizs. 1. Kétatomos molekula energiaszintjének vázlata, a és b - elektronikus szintek; v" és v" - kvantum. ingadozások száma. szintek; J" és J" - kvantum. forgatási számok. szinteket.

Egy molekula elektronállapotainak halmazát az elektronikus héjának St. you határozza meg. Elvileg az el értékei kvantum módszerekkel számíthatók ki. kémia, de ez a probléma csak megközelítőleg és viszonylag egyszerű molekulákra oldható meg. Fontos információk a molekulák elektronszintjeiről (elhelyezkedésükről és jellemzőikről), amelyeket a kémiai összetétele határoz meg. egy szerkezet, fogad, tanul M.-val.

Az elektronikus energiaszint nagyon fontos jellemzője az absz-t meghatározó 5-ös kvantumszám értéke. az összes e-new teljes forgási nyomatékának értéke. A kémiailag stabil molekuláknak általában páros számú elektronjuk van, és ezekre 5 = 0, 1, 2, . . .; a fő számára elektronikus szint jellemzően 5=0, gerjesztettnél - 5=0 és 5=1. Szintek S=0 naz. szingulett, S=1 - triplett (mivel a multiplicitásuk c=2S+1=3).

Kétatomos és lineáris háromatomos molekulák esetén az elektronszinteket a kvantumértékkel jellemezzük. L szám, meghatározó absz. az összes elektron teljes orbitális impulzusának a molekula tengelyére vetítésének értéke. Az L=0, 1, 2, ... szinteket rendre S, P, D, . . ., és a bal felső sarokban lévő index jelzi (pl. 3S, 2П). A szimmetriaközépponttal rendelkező molekuláknál (például CO2, CH6) az összes elektronikus szintet párosra és páratlanra (g és u) osztják, attól függően, hogy az őket meghatározó hullámfüggvény megtartja-e előjelét, amikor a tolatásnál megfordul. szimmetria középpontja.

A rezgési energiaszinteket a rezgések kvantálásával lehet megtalálni. mozgások, amelyeket megközelítőleg harmonikusnak tartanak. Egy kétatomos molekula (egy rezgési szabadságfok, amely megfelel az r magközi távolság változásának) harmonikusnak tekinthető. oszcillátor, amelynek kvantálása egyenlő távolságra lévő energiaszinteket ad:

ahol v - fő. harmonikus frekvencia a molekula rezgései, v=0, 1, 2, . . .- oszcillál. kvantum. szám.

Egy N-3 atomokból álló és f Colebattal rendelkező többatomos molekula minden egyes elektronállapotára. szabadsági fokok (lineáris és nemlineáris molekulák esetén f=3N-5 illetve f=3N-6), kiderül / ún. normál rezgések vi(ill, 2, 3, . . ., f) és összetett rendszer oszcilláló energiaszintek:

A normák frekvenciájának halmaza. ingadozások fő. elektronikus állapot yavl. a molekula fontos jellemzője, kémiai összetételétől függően. épületek. Egy bizonyos színvonalon. a rezgések vagy a molekula összes atomját, vagy azok egy részét érintik; az atomok harmonikussá teszik. rezgések azonos vi frekvenciával, de diff. amplitúdók, amelyek meghatározzák az oszcilláció alakját. Norma. A rezgéseket alak szerint vegyértékre (a kémiai kötések hossza változik) és deformációra (a kémiai kötések közötti szögek megváltoznak - kötési szögekre) osztják. Alacsonyabb szimmetriájú molekuláknál (lásd MOLEKULASZIMMETRIA) f=2 és minden rezgés nem degenerált; szimmetrikusabb molekuláknál kettős és hármas degenerált rezgések vannak, azaz frekvenciában egybeeső rezgéspárok és hármasok.

A forgási energiaszinteket a forgás kvantálásával találhatjuk meg. egy molekula mozgása, TV-nek tekintve. test bizonyos tehetetlenségi nyomatékokkal. Kétatomos vagy lineáris háromatomos molekula forgási energiája vr \u003d M2 / 2I, ahol I a molekula tehetetlenségi nyomatéka a molekula tengelyére merőleges tengely körül, és M elfordul. a mozgás számának pillanata. A kvantálási szabályok szerint

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

ahol f=0, 1,2,. . .- forgási kvantum. szám; a?vr-hez a következőket kapjuk:

Вр=(h2/8pi2I)J(J+1) = hBJ(J+1), (7)

ahol forognak. állandó B=(h/8piI2)I

meghatározza az energiaszintek közötti távolságok skáláját, amely az atomtömegek és az atommagok közötti távolságok növekedésével csökken.

Diff. M. típusokkal. eltérően fordulnak elő a molekulák energiaszintjei közötti átmenetek típusai. Az (1) és (2) bekezdés szerint:

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

sőt, hasonlóan a (4) D 3 el-> D count-> D? Amikor a D2el00 elektronikus M.s.-t kapott, a látható és az UV-tartományban megfigyelhető. Általában D200-nál egyidejűleg D2col20 és D2vr20; december. D2 szám egy adott D2el esetén a dekomp. oszcilláló csíkok (2. kép), és dec. D2 vr adott D2el és D2 otd számon. forog vonalak, amelyekbe az oszcilláló felszakad. csíkok (3. ábra).

Rizs. 2. Elektroino-oszcilláció. az N2 molekula spektruma a közeli UV tartományban; sávok csoportjai megfelelnek dec. értékek Dv= v"-v".

Az adott D?el (amely tisztán elektronikus átmenetnek felel meg nel=D?el/h frekvenciájú) sávok halmazát ún. csíkrendszer; a csíkok eltérőek intenzitása a rokontól függően. átmeneti valószínűségek (lásd QUANTUM ÁTMENET).

Rizs. 3. Forgatás. elektron-kolsbat hasadása. sávok 3805.0? N2 molekulák.

Komplex molekulák esetén egy rendszer adott elektronátmenetnek megfelelő sávjai általában egyetlen széles folytonos sávba egyesülnek; egymásra és többre rakhatók. olyan csíkok. A fagyasztott szerves oldatokban jellegzetes diszkrét elektronspektrumok figyelhetők meg. kapcsolatokat.

Az elektronikus (pontosabban az elektronikus-rezgés-forgásos) spektrumokat üveg (látható tartomány) és kvarc (UV tartomány, (lásd UV SUGÁRZÁS)) optikával ellátott spektrális műszerek segítségével vizsgálják. Ha D2 el = 0 és D count < 0, akkor oszcillációt kapunk. MS, a közeli IR régióban, általában az abszorpciós és Raman spektrumban figyelhető meg. Általános szabály, hogy egy adott D?-nél D?vr? 0 és ingadozik. a zenekar feloszlik forog vonalak. A legintenzívebb rezgésben. Kisasszony. a Dv=v"-v"=1 feltételt kielégítő sávok (többatomos molekulák esetén Dvi=v"i-v"i=1, Dvk=V"k-V"k=0; itt i és k különböző normálrezgéseket határoznak meg). A tisztán harmonikusért ingadozások esetén ezeket a kiválasztási szabályokat szigorúan betartják; anharmonikusra rezgések, sávok jelennek meg, amelyekre Dv> 1 (felhangok); intenzitásuk általában alacsony, és a Dv növekedésével csökken. Hinta. Kisasszony. (pontosabban vibrációs-forgásos) IR spektrométerekkel és Fourier spektrométerekkel, a Raman spektrumot pedig - nagy apertúrájú spektrográfokkal (a látható területre) lézergerjesztéssel vizsgálják. Ha D2 el=0 és D2 count=0 tisztán forgatható. spektrum, amelyből áll vonalak. Megfigyelhetők az abszorpciós spektrumokban a távoli IR régióban és különösen a mikrohullámú tartományban, valamint a Raman spektrumban. Kétatomos, lineáris háromatomos molekulák és kellően szimmetrikus nemlineáris molekulák esetében ezek a vonalak egyenlő távolságra (a frekvenciaskálán) vannak egymástól.

Tisztán forgatni. Kisasszony. IR spektrométerekkel tanulmányozták speciális. diffrakció rácsok (echelettek), Fourier-spektrométerek, visszirányú hullámú lámpán alapuló spektrométerek, mikrohullámú (mikrohullámú) spektrométerek (lásd: SUBMILLIMETERES SPEKTROSZKÓPIA, MIKROHULLÁM SPEKTROSZKÓPIA), és forognak. Raman spektrumok - nagy apertúrájú spektrométerek segítségével.

A molekulaspektroszkópia M. s. tanulmányain alapuló módszerei lehetővé teszik a kémia különböző problémáinak megoldását. Elektronikus M. -val. információt adnak az elektronhéjakról, a gerjesztett energiaszintekről és azok jellemzőiről, a molekulák disszociációs energiájáról (az energiaszintek disszociációs határhoz való konvergenciájával). A fluktuációk tanulmányozása. A spektrumok segítségével megtalálhatja azokat a jellemző rezgési frekvenciákat, amelyek megfelelnek bizonyos típusú vegyi anyagok molekulájában való jelenlétének. kötések (pl. kettős és hármas C-C kötések, C-H csatlakozások, N-H szerves. molekulák) határozzák meg a tereket. szerkezetét, különbséget tenni a cisz- és transz-izomerek között (lásd a MOLEKULÁK IZOMÉRIÁJÁT). Különösen elterjedt infravörös spektroszkópiai módszerek - az egyik leghatékonyabb optikai. Molekulák szerkezetének tanulmányozásának módszerei. Ezek adják a legteljesebb információt a RAS spektroszkópiai módszerekkel kombinálva. Kutatás forgatása. spektrumok, valamint a forgás. struktúrák elektronikus és oszcilláló. Kisasszony. lehetővé teszi a molekulák tapasztalatból feltárt tehetetlenségi nyomatékainak felhasználását az egyensúlyi konfigurációk paramétereinek - kötéshosszak és kötésszögek - nagy pontosságú meghatározására. A meghatározandó paraméterek számának növelése érdekében az izotópspektrumokat vizsgáljuk. olyan molekulák (különösen olyan molekulák, amelyekben a hidrogént deutérium helyettesíti), amelyeknek az egyensúlyi konfigurációk paraméterei megegyeznek, de lebomlanak. tehetetlenségi pillanatok.

Kisasszony. spektrális elemzésben is használják a szigetek összetételének meghatározására.

• - gyenge van der Waals erők vagy hidrogénkötések által egymáshoz kötött molekulákból képződött kristályok ...

  Fizikai Enciklopédia

• - a kvantumkémiában azoknak az integrál kifejezéseknek a neve, amelyekkel a többelektronos molekula elektronhullámfüggvényeit meghatározó elektronikus Schrödinger-egyenletet mátrixba írják...

  Kémiai Enciklopédia

• - formálisan vegyértéktelítettekből jönnek létre. molekulák az intermolekuláris kölcsönhatás erői miatt ...

  Kémiai Enciklopédia

• - van der Waals erők által megkötött molekulák alkotják. A molekulák belsejében az atomokat sokkal erősebb kötések kötik össze...

  Kémiai Enciklopédia

• - az org molekulák vizuális megjelenítése. és inorg. vegyületek, amely lehetővé teszi a molekulát alkotó atomok egymáshoz viszonyított helyzetének megítélését ...

  Kémiai Enciklopédia

• - az elektromágnes emissziós és abszorpciós spektruma. sugárzás és kombinált...

  Kémiai Enciklopédia

• - Lásd: Részlegesen kapcsolódó...
• - a molekulák közötti kölcsönhatás erői, amelyek külső körülményektől függően ilyeneket vagy olyanokat okoznak az összesítés állapota anyagok és számos más fizikai tulajdonságok...

  Vízföldtani és mérnökgeológiai szótár

• - a fény optikai abszorpciójának, emissziójának és Raman-szórásának spektrumai, amelyek a molekulák egyik energiaszintről a másikra való átmenetéből adódnak. Kisasszony. többé-kevésbé széles csíkokból, képekből áll...

  Nagy enciklopédikus politechnikai szótár

• - Cikkek aktuátorbiológiai motorokbiológiai nanoobjektumok orvosbiológiai mikroelektromechanikai rendszerek biopolimerek gyógyszerszállító kinezek egy chipen, többfunkciós nanorészecskéken...

  Nanotechnológiai enciklopédikus szótár

• - optikai szabad vagy gyengén kötött molekulákhoz tartozó fény emissziós, abszorpciós és szórási spektruma ...

  Természettudomány. enciklopédikus szótár

• - veleszületett anyagcsere-rendellenességek, örökletes anyagcsere-rendellenességek okozta betegségek. Az „M. b." L. Pauling amerikai kémikus javasolta ...
• - gyenge van der Waals erők vagy hidrogénkötések által egymáshoz kötött molekulákból képződő kristályok. A molekulák belsejében az atomok között erősebb kovalens kötés van ...

  Nagy Szovjet Enciklopédia

• - az emisszió és abszorpció optikai spektrumai, valamint a szabad vagy gyengén kötött molekulákhoz tartozó fény Raman-szórása. Kisasszony. bonyolult szerkezetűek...

  Nagy Szovjet Enciklopédia

• - a szabad vagy gyengén kötött molekulákhoz tartozó fény emissziós, abszorpciós és szórásának optikai spektrumai ...

  Nagy enciklopédikus szótár

• - vagy részleges akciók...

MOLEKULÁRIS SPEKTRA- az abból származó abszorpciós, emissziós vagy szórási spektrumok kvantumátmenetek molekulák egy energikusból. kijelenti a másiknak. Kisasszony. a molekula összetétele, szerkezete, a vegyi anyag természete határozza meg. kommunikáció és interakció a külsővel mezőkkel (és ennek következtében a környező atomokkal és molekulákkal). Naib. jellemző a M. s. ritkított molekuláris gázok, ha nincs spektrális vonal kiszélesedése nyomás: egy ilyen spektrum keskeny Doppler-szélességű vonalakból áll.

Rizs. 1. Kétatomos molekula energiaszintjének vázlata: aÉs b-elektronikus szintek; u" És u"" - oszcilláló kvantumszámok; J"És J"" - forgási kvantum számok.

A molekulában lévő három energiaszint-rendszernek megfelelően - elektronikus, vibrációs és forgó (1. ábra) - az M. s. áll egy sor elektronikus, rezgő. és forgasd. spektrumok és hazugság széles tartományban e-magn. hullámok - a rádiófrekvenciáktól a röntgensugárzásig. a spektrum régiója. A forgatás közötti átmenetek gyakorisága. energiaszintek általában a mikrohullámú tartományba esnek (a hullámszámok skálájában 0,03-30 cm -1), az oszcillációk közötti átmenetek gyakorisága. szintek - az IR tartományban (400-10 000 cm -1), valamint az elektronikus szintek közötti átmenetek gyakorisága - a spektrum látható és UV tartományában. Ez a felosztás feltételes, mert gyakran forognak. átmenetek is az IR régióba esnek, oszcillálnak. átmenetek - a látható tartományban, és elektronikus átmenetek - az IR tartományban. Általában az elektronikus átmeneteket rezgések változása kíséri. a molekula energiája, és amikor rezeg. az átmenetek változnak és forognak. energia. Ezért az elektronikus spektrum leggyakrabban elektronoszcillációs rendszer. csíkok, és nagy felbontású a spektrális berendezést a forgásuk érzékeli. szerkezet. A vonalak és csíkok intenzitása M. s. a megfelelő kvantumátmenet valószínűsége határozza meg. Naib. az intenzív vonalak megfelelnek a megengedett átmenetnek kiválasztási szabályok.K M. s. magában foglalja az Auger-spektrumokat és a röntgensugarakat is. molekulák spektruma (a cikkben nem vesszük figyelembe; lásd Auger-effektus, Auger-spektroszkópia, röntgenspektrumok, röntgenspektroszkópia).

Elektronikus spektrumok. Tisztán elektronikus M. s. akkor keletkeznek, amikor a molekulák elektronenergiája megváltozik, ha a rezgések nem változnak. és forgasd. energia. Elektronikus M. -val. abszorpcióban (abszorpciós spektrumok) és emisszióban (lumineszcencia spektrumok) egyaránt megfigyelhetők. Az elektronikus átmenetek során az elektromos áram általában megváltozik. a molekula dipólusmomentuma. Elektromos dipólus átmenet egy G típusú szimmetriájú molekula elektronállapotai között " és G "" (cm. A molekulák szimmetriája) megengedett, ha a közvetlen termék Г " G "" tartalmazza a dipólusmomentumvektor legalább egyik komponensének szimmetriatípusát d . Az abszorpciós spektrumokban általában megfigyelhető az alap (teljesen szimmetrikus) elektronállapotból a gerjesztett elektronállapotba való átmenet. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen átmenet létrejöttéhez a gerjesztett állapot és a dipólusmomentum szimmetriájának egybe kell esnie. T. to. elektromos Mivel a dipólusmomentum nem függ a spintől, ezért az elektronikus átmenet során a spint meg kell őrizni, azaz csak azonos multiplicitású állapotok közötti átmenetek megengedettek (kombinációk közötti tiltás). Ezt a szabályt azonban megszegték

erős spin-pálya kölcsönhatású molekulák esetében, ami ahhoz vezet interkombinációs kvantumátmenetek. Az ilyen átmenetek eredményeként például foszforeszcencia spektrumok keletkeznek, amelyek megfelelnek a gerjesztett triplett állapotból a fő állapotba való átmeneteknek. szingulett állapot.

Molekulák különböző az elektronikus állapotok gyakran eltérő geom. szimmetria. Ilyen esetekben a D feltétel " G "" G d kis szimmetriájú konfigurációjú pontcsoportra kell végrehajtani. A permutációs-inverziós (PI) csoport használatakor azonban ez a probléma nem merül fel, mivel a PI csoport minden állapothoz azonosan választható.

Lineáris szimmetria molekulákhoz hu-val dipólusmomentum szimmetria típusa Г d=S + (dz)-P( d x , d y) ezért csak az S + - S +, S - - S -, P - P stb. átmenetek megengedettek számukra a molekula tengelye mentén irányított átmeneti dipólusmomentum mellett és az S + - P, P - D átmenetek stb., ahol az átmenet nyomatéka a molekula tengelyére merőleges (az állapotok megjelölését lásd a 1. cikkben). Molekula).

Valószínűség BAN BEN elektromos dipólus átmenet az elektronikus szintről T elektronikus szintre P, összesítve minden oszcilláló-forgó. elektronikus szintszintek T, az f-loy határozza meg:

dipólusmomentum mátrix elem az átmenethez n-m,y hués y em- az elektronok hullámfüggvényei. Integrált együttható. a kísérletileg mérhető abszorpciót a kifejezés határozza meg

Ahol N m- a molekulák száma az elején. képes m, v nm- átmeneti frekvencia TP. Az elektronikus átmeneteket gyakran az oszcillátor erőssége jellemzi

Ahol eÉs t e az elektron töltése és tömege. Intenzív átmenetekhez f nm ~ 1. Az (1) és (4) pontból vö. izgatott állapot élettartama:

Ezek a f-ly rezgésekre is érvényesek. és forgasd. átmenetek (ebben az esetben a dipólusmomentum mátrixelemeit újra kell definiálni). A megengedett elektronikus átmeneteknél az együttható általában felszívódás többre többet rendel, mint az oszcillálásért. és forgasd. átmenetek. Néha az együttható az abszorpció eléri a ~10 3 -10 4 cm -1 atm -1 értéket, azaz nagyon alacsony nyomáson (~10 -3 - 10 -4 Hgmm) és kis vastagságú (~10-100 cm) rétegnél elektronsávok figyelhetők meg az anyagról.

Rezgési spektrumok akkor figyelhető meg, amikor a rezgés megváltozik. energia (az elektronikus és a forgási energiák nem változhatnak). A molekulák normál rezgéseit általában nem kölcsönható harmonikusok halmazaként ábrázolják. oszcillátorok. Ha a dipólusmomentum tágulásának lineáris feltételeire szorítkozunk d (abszorpciós spektrumok esetén) vagy a polarizálhatóság (kombinációs szórás esetén) normál koordináták mentén Kk, majd a megengedett rezgések. az átmeneteket csak az u kvantumszámok valamelyikének változásával járó átmeneteknek tekintjük k egységenként. Az ilyen átmenetek megfelelnek a főnek. oszcilláló csíkok, oszcillálnak. spektrum max. erős.

Fő oszcilláló egy lineáris többatomos molekula sávjai, amelyek a főtől való átmeneteknek felelnek meg. oszcilláló állapotok kétfélék lehetnek: a molekulatengely mentén irányított átmeneti dipólusmomentumú átmeneteknek megfelelő párhuzamos (||) sávok, és a molekulatengelyre merőleges átmeneti dipólusmomentumú átmeneteknek megfelelő merőleges (1) sávok. A párhuzamos szalag csak a R- És R-ágakban, és merőleges sávban

is megoldódott K-ág (2. ábra). Fő spektrum szimmetrikus csúcsmolekula abszorpciós sávjai szintén ||-ből állnak És | csíkos, de forog. ezeknek a sávoknak a szerkezete (lásd alább) bonyolultabb; K-elágazás || sáv szintén nem engedélyezett. Megengedett ingadozások. csíkok képviselik vk. Sáv intenzitása vk függ a derivált négyzetétől ( dd/dQ Nak nek ) 2 vagy ( d a/ dQk) 2. Ha a sáv megfelel a gerjesztett állapotból a magasabb állapotba való átmenetnek, akkor ún. forró.

Rizs. 2. IR abszorpciós sáv v 4 SF 6 molekula, 0,04 cm -1 felbontású Fourier-spektrométerrel kapott; finom szerkezetet mutató fülke vonalak R(39) dióda lézerrel mérve 10 -4 cm -1 felbontású spektrométer.

Ha figyelembe vesszük az oszcillációk anharmonitását és a nemlineáris tagokat a kiterjesztésekben dés egy által Kk valószínűvé válnak, és az átmeneteket a kiválasztási szabály tiltja u k. Átmenetek az egyik szám változásával u k 2, 3, 4 stb. hívott. felhang (Du k=2 – első felhang, Du k\u003d 3 - második felhang stb.). Ha az u számok közül kettő vagy több megváltozik az átmenet során k, akkor egy ilyen átmenetet nevezünk kombinációs vagy teljes (ha minden u Nak nek növekedés) és különbség (ha néhány u k csökken). A felhangsávokat 2-vel jelöljük vk, 3vk, ..., összesen sáv vk + v l, 2vk + v l stb., és a különbségi sávok vk - v l, 2vk - e l stb. Sávintenzitás 2u k, vk + v lÉs vk - v l az első és a második deriválttól függ dÁltal Kk(vagy egy által Kk) és köbös. erős anharmonikus együtthatók. energia; a magasabb átmenetek intenzitása az együtthatótól függ. több magas fokok bomlás d(vagy a) és erős. energia által Kk.

A szimmetriaelemekkel nem rendelkező molekuláknál minden rezgés megengedett. átmenetek mind a gerjesztési energia elnyelésében, mind pedig kombinációban. a fény szórása. Az inverziós centrummal rendelkező molekuláknál (pl. CO 2, C 2 H 4 stb.) az abszorpcióban megengedett átmenetek kombinációk esetén tilosak. szóródás, és fordítva (alternatív tilalom). Az oszcilláció közötti átmenet A Г 1 és Г 2 szimmetriatípusok energiaszintjei abszorpcióban megengedettek, ha a Г 1 Г 2 direkt szorzat tartalmazza a dipólusmomentum szimmetriatípusát, és együtt is megengedett. szóródás, ha a termék Г 1

A Г 2 a polarizálhatósági tenzor szimmetriatípusát tartalmazza. Ez a kiválasztási szabály hozzávetőleges, mivel nem veszi figyelembe a rezgések kölcsönhatását. mozgások elektronikus és forgó. mozgások. Ezen kölcsönhatások figyelembevétele olyan sávok megjelenéséhez vezet, amelyek a tiszta rezgések szerint tiltottak. kiválasztási szabályok.

A fluktuációk tanulmányozása. Kisasszony. lehetővé teszi a harmonikus beállítását. oszcillációs frekvenciák, anharmonikus állandók. Az ingadozásoknak megfelelően A spektrumok konformációját végzik. elemzés

kémiai kötésekés a molekulák szerkezete.

Molekula - az anyag legkisebb részecskéje, amely azonos vagy különböző egymáshoz kapcsolódó atomokból áll kémiai kötések, és alapvető kémiai és fizikai tulajdonságainak hordozója. A kémiai kötések az atomok külső vegyértékelektronjainak kölcsönhatásából származnak. A molekulákban leggyakrabban kétféle kötés található: ionos és kovalens.

Ionos kötés (például molekulákban NaCl, KVR) az atomok elektrosztatikus kölcsönhatása révén valósul meg az elektron egyik atomról a másikra való átmenete során, azaz. pozitív és negatív ionok képződésében.

Kovalens kötés (például H 2 , C 2 , CO molekulákban) akkor jön létre, ha a vegyértékelektronokat két szomszédos atom osztja (a vegyértékelektronok spinjeinek antiparallelnek kell lenniük). A kovalens kötést az azonos részecskék, például a hidrogénmolekulában lévő elektronok megkülönböztethetetlenségének elve alapján magyarázzák. A részecskék megkülönböztethetetlensége ahhoz vezet csere interakció.

A molekula az kvantumrendszer; a Schrödinger-egyenlet írja le, amely figyelembe veszi az elektronok mozgását a molekulában, a molekula atomjainak rezgéseit és a molekula forgását. Ennek az egyenletnek a megoldása nagyon nehéz feladat, amelyet általában két részre osztanak: elektronokra és atommagokra. Egy izolált molekula energiája:

ahol az elektronok mozgási energiája az atommagokhoz képest, az atommagok rezgésének energiája (amelynek következtében az atommagok egymáshoz viszonyított helyzete periodikusan változik), az atommagok forgási energiája (aminek következtében az a molekula a térben periodikusan változik). A (13.1) képlet nem veszi figyelembe a molekula tömegközéppontjának transzlációs energiáját és a molekulában lévő atommagok energiáját. Ezek közül az első nem kvantált, így annak változása nem vezethet molekulaspektrum megjelenéséhez, a második pedig figyelmen kívül hagyható, ha nem vesszük figyelembe a spektrumvonalak hiperfinom szerkezetét. Bebizonyosodott, hogy eV, eV, eV, tehát >>>>.

A (13.1) kifejezésben szereplő energiák mindegyike kvantált (diszkrét energiaszintek halmazának felel meg), és kvantumszámok határozzák meg. Az egyik energiaállapotból a másikba való átmenet során energia nyelődik el vagy bocsát ki D E=hv. Az ilyen átmenetek során az elektronmozgás energiája, a rezgések és a forgás energiája egyszerre változik. Az elméletből és a kísérletből következik, hogy a D forgási energiaszintek közötti távolság sokkal kisebb, mint a D rezgési szintek közötti távolság, ami viszont kisebb, mint a D elektronikus szintek közötti távolság. A 13.1. ábra sematikusan mutatja a kétatomos energiaszinteket. molekula (például csak két elektronikus szintet vettünk figyelembe, amelyek félkövér vonallal vannak feltüntetve).

A molekulák szerkezete és energiaszintjük tulajdonságai abban nyilvánulnak meg molekuláris spektrumok– a molekulák energiaszintjei közötti kvantumátmenetekből adódó emissziós (abszorpciós) spektrumok. Egy molekula emissziós spektrumát az energiaszintek szerkezete és a megfelelő kiválasztási szabályok határozzák meg.

Így a szintek közötti különböző típusú átmenetek különböző típusú molekulaspektrumokat eredményeznek. A molekulák által kibocsátott spektrumvonalak frekvenciája megfelelhet az egyik elektronikus szintről a másikra való átmeneteknek. (elektronikus spektrumok) vagy egyik rezgési (forgási) szintről a másikra ( rezgési (forgási) spektrumok Ezen kívül lehetséges átmenetek azonos értékekkel is És olyan szintekre, amelyek mindhárom összetevő értéke eltérő, ami azt eredményezi, hogy elektronikus-rezgési és rezgési-forgási spektrumok.

A tipikus molekulaspektrumok sávosak, amelyek többé-kevésbé keskeny sávok kombinációja az ultraibolya, a látható és az infravörös tartományban.

Nagy felbontású spektrális műszerek segítségével látható, hogy a peremek olyan szorosan elhelyezkedő vonalak, hogy nehéz feloldani őket. A molekulaspektrumok szerkezete a különböző molekuláknál eltérő, és bonyolultabbá válik a molekulában lévő atomok számának növekedésével (csak folytonos széles sávok figyelhetők meg). Csak a többatomos molekulák rendelkeznek rezgési és forgási spektrummal, míg a kétatomosak nem rendelkeznek ilyen spektrummal. Ez azzal magyarázható, hogy a kétatomos molekuláknak nincs dipólusmomentuma (a rezgési és forgási átmenetek során nem változik a dipólusmomentum, ami szükséges feltétele annak, hogy az átmenet valószínűsége eltérjen a nullától). A molekulaspektrumokat a molekulák szerkezetének és tulajdonságainak tanulmányozására használják, felhasználják molekuláris spektrális elemzésben, lézerspektroszkópiában, kvantumelektronikában stb.