Энергетические уровни молекул. Спектры атомов и молекул

Молекула – наименьшая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Молекула является квантовой системой и описывается уравнением Шредингера. Энергия полная складывается из 5 слагаемых: , Энергия полная = энергии относительно ядер атома + энергии колебательного движения ядер атому около их равновесных состояний + энергии вращательного движения молекул как целого + энергии поступательного движения молекул + внутриядерной энергии. В случае 2 последних слагаемых энергия не квантуется и их изменения не приводят к возникновению молекулярных спектров, поэтому ими можно пренебречь. Таким образом энергию молекулы, определяющие ее оптические свойства (молекулярный спектр) состоит из 3 слагаемых: . Каждая из входящих в формулу, квантуется и ей соответствует набор дискретных уровней энергий. Спектр атома или молекулы является их важнейшим оптическим свойством.

Оптические процессы происходят при переходе в атомах и молекулах между энергетическими уровнями. При этом возникают оптические спектры. Оптические спектры разделяются на спектры испускания, поглощения, рассеяния и отражения.

Спектры испускания соответствуют возможным квантовым переходом с верхних энергетических уровней на нижние; спектры поглощения – с нижних на верхние.

Рассмотрим спектры испускания атомов. Атомарные спектры носят линейчатый характер, связанный со строением и свойствами электронных оболочек атомов. В квантовой механике выделены правила отбора, ограничивающие число возможных переходов e в атоме, связанных с испусканием и поглощением света. Согласно правилам отбора, возможны только такие переходы, при которых:

1) Орбитальное квантовое число изменяется только на ±1 (∆l =±1)

2) Магнитное квантовое число изменяется только на ±(∆m=±1), либо не меняется

∆m -O_i±1

Группа спектральных линий, соответствующая определенным переходом e со всех вышележащих уровней на данный, называется серией. Рассмотрим группы спец. Серий для H₂

Группа спектральных линий, находящихся в инфракрасной области спектра соответствует сериям Пашина (переходы со всех вышележащих уровней на 3); Серия Брекета (со всех повышается на 4); Серия Фунда (со всех повышается на 5)

Рассмотрим молекулярные спектры.

Спектры излучения, поглощения, возникающий при квантовых переходах между уровнями энергии молекул. Молекулярные спектры определяются структурой энергетических уровней молекул и соответствующими правилами отбора. При разных типах переходов между энергетическими уровнями молекул возникают разные типы молекулярных спектров. Электронным спектром соответствуют переходы с одних электронных уровней на другие. Колебательным и вращательным спектром соответствуют переходы с одних колебательных и вращательных уровней на другие.

Возможны также переходы на уровни с другими значениями всех трех компонентов энергии молекул .

В результате возникают электронно-колебательные и колебательно-вращательные спектры.

В связи с этим молекулярные спектры носят сложный характер. Типичные молекулярные спектры являются полосатыми и представляют собой совокупность более или менее узких полос в ультрафиолетовой видимой и инфракрасной областях спектра. С увеличением числа атомов в молекуле структура молекулярного спектра усложняется, при этом наблюдаются только сплошные широкие полосы. Колебательными и вращательными спектрами обладают многоатомные, 2-атомные не обладают. Молекулярные спектры применяются в квантовой электронике, лазерной электроскопии, для исследования строения молекул.