Физико-химические методы исследования структуры органических соединений

Среди многообразния физических методов, которые применяются при исследовании строения органических молекул, наибольший интерес представляет взаимодействие вещества с электромагнитным излучением в широком интервале частот, начиная с радиоволн и кончая γ-лучами, т.е. по всему электромагнитному спектру. При этом происходит изменение энергии молекул, которое определяется соотношением Бора

ΔЕ = Е_к- Е_н = hν

где ΔЕ – изменение энергии системы; Е_к и Е_н – энергия системы в конечном и начальном состояниях; h – постоянная Планка; ν – частота излучения.

Энергия переходов между двумя энергетическими уровнями может быть измерена в электрон-вольтах (эВ) или калориях (кал).

Связь между энергетическими и волновыми параметрами выражается следующими соотношениями:

λ нм = 10⁷/ν см^-1 = 28591/Е ккал/моль = 1239,8/E эв;

ν см^-1 = 0,34976·10³·E ккал/моль = 8,0658·10³·E эв = 10⁷/λ нм;

Е ккал/моль = 23,061·E эв = 2,8591·10^-3·ν см^-1 = 28591/λ нм;

E эВ =012398·10^-3·ν см^-1 = 4,3363·10^-2·Е ккал/моль = 1239,8/λ нм

Например, длине волны 400 нм соответствует волновое число 25 000 см^-1, энергия 3,100 эв/молекулу или 71,5 ккал/моль.

В табл.1 приведен полный спектр электромагнитных волн, который выражен как в энергетических единицах (в электрон-вольтах), так и в волновых параметрах.

Таблица 1 Электромагнитный спектр [1]

Электромагнитный спектр простирается от γ-лучей с длиной волны 10^{-10 см до радиоволн с длиной волны порядка 104 см; таким образом, длины волн изменяются по электромагнитному спектру на 15 порядков. Энергия по спектру также отличается на 15 порядков и изменяется от 107} эв и более для жестких лучей до 10^-8 эв для радиоволн.

Высокоэнергетическая область спектра начинается γ-лучами с энергией 10⁷ эв и более и длиной волны порядка 10^{-11 см. Это излучение вызывает изменение в энергетическом состоянии ядер, и изучение его дает возможность получить сведения о ядерных силах и взаимодействиях (область спектроскопии γ –резонанса) [2-4].}

Энергия порядка сотен тысяч электрон-вольт (длина волны 10^{-8 см) соответствует рентгеновским лучам, при действии которых происходит изменение энергетического состояния внутренних электронов атома, расположенных вблизи ядра. Изучение этого взаимодействия дает возможность определить энергию связи внутренних электронов (область рентгеноспектральных исследований).}

Энергия порядка десятков электрон-вольт (длина волны более 10^{-8 см) отвечает ультрафиолетовой и видимой областям спектра и соответствует изменению энергии валентных электронов (область электронной спектроскопии).}

Следующая, инфракрасная, область простирается от 10^-4 до 10^{-2 см. Энергия в этой области соответствует энергии переходов между колебательными уровнями атомов в молекулах и составляет доли электрон-вольта (область колебательной спектроскопии).}

К инфракрасной области примыкает микроволновая область. Микроволновое поглощение связано с изменением энергии вращения атомов в молекуле и с колебаниями атомов в кристаллической решетке (область микроволновой спектроскопии).

Далее идет идет область радиоспектроскопии (область спектроскопии ядерного магнитного резонанса, ядерного квадрупольного резонанса и электронного парамагнитного резонанса).

Область электромагнитного спектра, которая изучается при помощи спектральных приборов, основанных на оптическом методе разложения излучения, называется областью оптических спектров.