Молекулы в основном и возбужденном колебательном состояниях распределены по ряду вращательных состояний. При переходе молекулы из одного колебательного состояния в другое одновременно происходит изменение их вращательных состоянии. Поэтому при рассмотрении колебательных переходов необходимо учитывать вращательные состояния. Терм колебательно-вращательного состояния в адиабатическом приближении является суммой термов колебательного и вращательного состояний. В общем случае колебательно-вращательный терм без учета центробежного растяжения имеет вид:
На рисунке 1 приведена система вращательных уровней для двух колебательных состояний и . Переходы между уровнями с различными значениями и J дают колебательно-вращательные спектры, для которых правила отбора имеют вид:
по колебательному квантовому числу:
= ±1, ±2, ±3...
по вращательному квантовому числу:
Δ J =-2, -1, 0, +1, +2
Совокупность переходов, которым соответствуют правила отбора сonst, сonst, образуют ветвь колебательно-вращательной полосы. Приняты следующие буквенные обозначения ветвей:
|
|
Δ J =-2 (О), -1 (P), 0 (Q), +1 (R), +2 (S),
Причем, O,Q,S –ветви проявляются в спектрах комбинационного рассеяния (КР спектрах), а P - и R – ветви активны в инфракрасных спектрах поглощения (ИК спектрах).
Рассмотрим структуру колебательно-вращательной полосы ИК поглощения (смотри рисунок). В спектре наблюдается две ветви: R – ветвь (), и P – ветвь (), между линиями P и R – ветвей находится так называемый нулевой промежуток, характеризующийся частотой ν0, которая соответствует чисто колебательному переходу
,
запрещенному правилами отбора, т. к. для него ΔJ = 0. Отсчет P-линий начинается с , а R-линий – с . Ветвь R всегда расположена со стороны больших частот от .
Волновые числа линий R- ветви, для которой , можно представить уравнением
где вращательное квантовое число принимает значения 0,1,2,3.
Соответственно для P – ветви, для которой , волновые числа
можно выразить следующим образом:
где принимает значения 0,1,2,3,…..
Величина в случае колебательно-вращательных всегда имеет отрицательное значение, так как . Поэтому с ростом значения J линии вращательной структуры в R-ветви постепенно сходятся, а в P-ветви - расходятся. Разность () мала, поэтому для малых J в ряде случаев можно пренебречь взаимодействий колебаний с вращением, приняв . Тогда
В этом приближении расстояние между двумя соседними линиями вращательной структуры равна 2В, как и в чисто вращательных спектрах.
Для определения вращательных постоянных и из колебательно-вращательных спектров используется так называемые комбинационные разности Δ2F(J), которые представляют собой разность между термами двух вращательных состояний, расположенных через один вращательный уровень.
|
|
Легко показать, что уравнения
и
связаны с вращательными постоянными и следующим образом:
Если для ряда значений …J вычислить или то можно графически или методом наименьших квадратов определить или с достаточно высокой точностью.
Задача 1.
В колебательно-вращательном ИК-спектре поглощение паров получен с большим разрешением ряд линий вращательной структуры, волновые числа которых приведены в таблице (в см-1)
3108,73 | 3146,09 | 3171,63 | 3193,20 |
16,69 | 52,85 | 77,39 | 97,96 |
24,40 | 65,52 | 82,91 | 3202,48 |
31,87 | 88,19 | ||
39,10 |
Определите начало полосы , отнесите линии к ветвям и определите значение вращательного квантового числа для каждой линии, отнесите полосу к основному тону или обертону, сравнить полученное значение с табличным значением we (Мальцев А.А. Молекулярная спектроскопия, прил. 5). Рассчитайте вращательные постоянные Bv, Be, αe.
Задача 2.
В колебательно-вращательном ИК-спектре поглощение паров DBr естественного изотопного состава получены при большом разрешении следующие линии вращательной структуры (см-1)
1894,75 | 1864,57 | 1822,93 | 1786,57 |
94,17 | 54,01 | 22,40 | 86,16 |
87,48 | 56,58 | 14,10 | 77,22 |
86,90 | 56,02 | 13,57 | 76,72 |
80,02 | 48,42 | 05,12 | 67,61 |
79,45 | 47,87 | 04,50 | 67,11 |
72,38 | 31,59 | 1795,97 | |
71,81 | 30,95 | 95,45 |
Определите положение нулевой линий , отнесите линии к изотопическим модификациям молекул D79Br и D81Br. Сделайте отнесение линий к Р - и R - ветвям и определите их нумерацию по вращательным квантовым числам J. Рассчитайте значение вращательной постоянной обеих изотопических молекул для основного и возбужденных колебательных состояний молекул D79 Br и D81 Br. Определите молекулярный постоянные , и . Рассчитайте отношение приведенных масс из молекулярных весов и сравните его с расчетным значением
Литература
1. К. Бенуэлл. Основы молекулярной спектроскопии. М. 1985.
2. М.А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия. М. 1962.
3. А.А. Мальцев. Молекулярная спектроскопия. М. 1980.
4. Н.Г. Бахшиев. Введение в молекулярную спектроскопию. Л. 1987.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА