Часть 1. Общие характеристики спектров. Теоретический минимум.

Часть1. Общие характеристики спектров.

Часть2. Электронные спектры поглощения молекул.

Часть3. Колебательные спектры поглощения молекул.

Часть 1. Общие характеристики спектров. Теоретический минимум.

· Энергия спектрального перехода.

· Энергетические характеристики.

· Диапазоны излучения и области молекулярной спектроскопии.

Спектральный переход в атоме или в молекуле вызван поглощением или испусканием электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение состоит из частиц-фотонов, не имеющих массы покоя. Энергия фотона E определяется частотой излучения  и равна E h  Коэффициент пропорциональности - константа Планка, равная h= 6.627´10^-34Дж×с=6.627´10^-27 эрг×с. Поглощение фотона приводит к возбуждению атома или молекулы с более низкого уровня E на более высокий энергетический уровень E*. Баланс энергии при переходе описы­вается уравнением Планка-Эйнштейна

.

Уровни дискретны, и поглощаемые энергии также дискретны.

Поэтому регистрируемые частоты образуют также дискретное множество, и их можно нумеровать индексами уровней:

.

В большинстве молекулярных спектрах в первую очередь проявляется переход с основного на первый возбуждённый уровень. Единицы измерения энергии диктуются возможностями наиболее точной калиб­ровки регистрирующего устройства.

В области оптической спектроскопии излучение разделяют с помощью дифрак­ционных решёток, призм, линз. Очень хорошо разработаны способы точного измерения длин волн. Поэтому и энергию излучения принято калибровать в таких единицах, которые наиболее соответствуют конкретной экспериментальной технике. Такой единицей является обратная длина волны 1/ . Её называют волновым числом и обозначают .

Вся накопленная до настоящего времени информация об энер­гиях переходов выражается в обратных сантиметрах (см^-1). Этим обстоятельством диктуется выбор системы единиц. Удобна система СГС (сантиметр, грамм, секунда). Единица энергии в ней ЭРГ.

Связь длины волны с частотой обратно пропорциональная, а с волновым числом прямо пропорциональная, константа пропорциональности – скорость света c =3´10¹⁰см/с=3´10⁸м/с:

.

Отсюда уравнение Планка –Эйнштейна можно представить в виде

На этом основании можно уровни энергии непосредственно выразить в единицах волнового числа. Так поступают в атомной спектроскопии.

Если измерено волновое число спектрального перехода, то одно из равенств даёт

Следуя этой формуле, уровни энергии можно выразить в единицах волнового числа. Для этого следует разделить их на скорость света и константу Планка

Так поступают в атомной спек­троскопии.

Уровни энергии, выраженные в единицах волнового числа, называют спектральными термами. Это величины T_n и T_m.

Электронные переходы в молекулах осуществляются ориентировочно в области значений волновых чисел порядка 10⁴ см^-1.

Длины волн такого излучения лежат в диапазоне 10^-4¸10^-5 см.

Это сотни нанометров (1 нм=10^-9м=10´10^-8см=10 A⁰).

Область цветного зрения человека охватывает длины волн 400-700 нм.

Непосредственно к этой области примыкают диапазоны:

- ультрафиолетовый со стороны квантов большей энергии и

- инфракрасный со стороны квантов меньшей энергии.

Обычная область изучения валентных электронных возбуждений молекул охватывает видимый и ближний ультрафиолетовый диапазоны.

Колебательные переходы в молекулах осуществляются ориентировочно в об­ласти значений волновых чисел порядка 10² ¸10³ см^-1.

Длины волн такого излучения лежат в диапазоне 10^-2¸10^-3 (до 10^-4) см.

Это инфракрасный диапазон излучения. С ним граничит видимый (со стороны

больших энергий) и микроволновой (со стороны меньших энергий)

Обычная область изучения молекулярных колебаний охватывает инфракрасный диапа­зон и примыкает к диапазонам излучений видимого (обертоны колебаний) и микроволнового (вращательно-колебательные движения молекул).