double arrow

Структура энергетических уровней сложных молекул. Молекулярные спектры


В многоатомных молекулах можно выделить три вида движений: электронное, колебательное и вращательное. Первое связано с движением электронов вокруг ядер атомов, второе — с периодическим изменением расстояний между ядрами, третье — с периодическим изменением ориентации молекул в пространстве. В соответствии с видами движений энергия молекулы приблизительно может быть представлена в виде суммы энергий электронной, колебательной и вращательной:

E=Eэл+Eкол+Eвр(1.6)

По значению слагаемые в формуле (1.6.) различаются меж­ду собой: Еэл ~ 1 эВ, Екол ~ 102 эВ, Евр ~ 104 эВ. Энергия молекулы квантуется. Возможные значения энергии определяются внутренним строением самой молекулы. Электрон­ные состояния, обозначенные буквами S, P, D, …., харак­теризуются определенными уровнями электронной энергии 0, 1, 2, ... (рис.1.3). Самому нижнему, нулевому уровню соответствует основное, невозбужденное состояние, всем остальным уровням — возбужденные состояния. Переходам из основного состояния в возбужденные (рис.1.3, переходыизображены стрелками) соответствуют поглощения энергии молекулой, обратным переходам — выделение энергии.




В каждом электронном состоянии возможно несколько разных колебаний (рис.1.3, колебательные уровни v0, v1, v2, ..., v’0, v’l, v’2). В каждом электронно-колебательном состоянии возможны различные вращения (рис. 1.3, вращательные уровни j0, jl, j2, ..., j’0, j’l, j’2,...).

При переходе молекулы из одного состояния в другое энергия молекулы меняется. Если переход сопровождается испусканием, то энергия кванта излучения равна:

hn=E’-E= (E’эл-Eэл)+ (E’кол-Eкол)+(E’вр-Eвр),(1.7.)

где h — постоянная Планка; n — частота излу­чения; Е' и Е — энергии верхнего и нижнего энергетических уровней молекулы; Е'эл, Е’кол, Е'вр и Еэл, Екол, Евр —элек­тронная, колебательная и вращательная энергии молекулы в возбужденном и основном состояниях соответственно. При таком переходе получаются электронно-колебательно-вращательные спектры (их называют электронными).

Если при изменении состояния молекулы величина DЕэл=0, а DЕкол¹0 и DЕвр¹0, то возникают колебательно-вращательные спектры (их называют колебательными). Если изменяется только вращательная энергия (DЕэл=0, а DЕкол=0 и DЕвр¹0), то возникают вращательные спектры.

Число различных колебательных переходов, сопровождающих электронный переход, и различных вращательных переходов, сопровождающих колебательный переход, весьма велико. Поэтому наблюдается сложная структура молекулярных спектров. Молекулярные спектры сплошные. Распределение интенсивности в спектре испускания (или поглощения) зависит от структуры энергетических уровней, их населенности и вероятностей переходов между различными уровнями энергии. Так как DЕэл>DЕкол> DЕвр, то при изучении электронных спектров вращательной структурой спектров можно пренебречь.



Рис. 1.3. Схема энергетических уровней молекулы.

1.4. Эмиссионный и абсорбционный спектральный анализ, его медицинское применение.

Спектры поглощения и испускания вещества являются источником информации о качественном составе (из каких молекул или атомов состоит вещество), количественном соотношении различных компонентов вещества, их состоянии и структурной организации.

В спектральном анализе используют как спектры испускания (эмиссионный спектральный анализ), так и спектры поглощения (абсорбционный спектральный анализ).

В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), классифицируют следующие виды спектроскопии: радио-, ИК-, УФ-, видимого излучения, рентгеновская.

По типу вещества источника спектра различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов.

В медицинских целях эмиссионный анализ служит в основном для определения микроэлементов в тканях организма, небольшого количества атомов металлов в консервированных продуктах с гигиенической целью, некоторых элементов в трупных тканях для целей судебной медицины и так далее.

Абсорбционные спектры широко используются в современных биохимических и биофизических работах.

Различают качественный (определение состава вещества) и количественный (определение концентраций соединений, входящих в данное вещество) спектральный анализ.









Сейчас читают про: