Найти статью
Вращательные спектры
Враща́тельные спе́ктры — молекулярные спектры, возникающие при вращении молекул и обусловленные квантовыми переходами между их вращательными дискретными состояниями[1].
Физические основы
Вращательные спектры возникают в результате взаимодействия молекул вещества, находящегося обычно в газообразном состоянии, с электромагнитным излучением. Такие спектры наблюдаются в дальней ИК-области спектра, в области спектра с длинами волн порядка микрометров и при комбинационном рассеянии света.
На рисунке представлены вращательный спектр молекулы, состоящей из двух атомов и массами, соответственно, и , находящимися друг от друга в молекуле на расстоянии . Молекула может вращаться относительно осей координат и . Начало координат помещено в центр тяжести молекулы, обозначенный буквой . На графике ниже показан вращательный спектр этой молекулы, представленный как зависимость интенсивности от волнового числа . Половина расстояния между максимумами называется вращательной константой .
Такую систему можно описать с помощью модели жёстко связанных точечных масс, считая что размеры атомов, из которых состоит молекула, значительно меньше размера молекулы, а массой электронов можно пренебречь. Продолжая классический подход, можно представить моменты инерции вращающейся молекулы как сумму моментов инерции относительно осей координат:
|
Полный момент импульса связан с проекциями на главные оси координат:
|
Тогда энергию вращательного движения можно выразить, используя эти проекции и главные моменты инерции:
|
Поскольку моменты количества движения могут принимать только некоторые дискретные значения, условия квантования представимы в виде:
|
|
Здесь — вращательное квантовое число, — квантовое число.
Более строго описывать состояния движения молекулы позволяет квантовая механика. В нерелятивистском приближении решение задачи осуществляется путём решения уравнения Шрёдингера:
|
где — собственное значение энергии молекулы, — собственная функция, или функция состояния молекулы.
Оператор Гамильтона для такой молекулы представим в виде:
|
Уравнение Шрёдингера (6) с учётом гамильтониана (7) не имеет точного решения. Для нахождения собственных функций и собственных значений необходимо принять некоторые упрощения. Методами последовательного приближения находят собственные значения функции состояния вращательного движения молекул .
Использование
Как и другие виды спектров, вращательные спектры позволяют определить значения квантовых частот переходов, интенсивности спектральных линий и зависимости их от длины волны и частоты возбуждающего электромагнитного излучения. На основании этих данных получают сведения о строении вещества, симметрии молекул, их геометрических параметрах, электрических дипольных моментах, видах химических связей между молекулами, и другую полезную информацию.
Примечания
Литература
- Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
- Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — Москва : Физматлит, 2003.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — Москва : Физматлит, 2014.
- Шолох В. Г. Спектры и строение молекул. — Гомель : ГГУ им. Ф. Скорины, 2009.
Дополнительно по теме
| Правообладателем данного материала является АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ». Использование данного материала на других сайтах возможно только с согласия АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ». |