Полосатый спектр

Полоса́тый спе́ктр — спектр оптического излучения, состоящий из широких спектральных полос, разделённых тёмными промежутками.

Физические основы

Файл:Spectra CarbonArc and Iodine vapor.jpg

Спектры угольной дуги (полосы молекул ${\ce {CN}}$ и ${\ce {C2}}$) и спектр испускания паров иода ${\ce {I2}}$

Полосатый спектр возникает вследствие электронных переходов в молекулах или межзонных переходах в кристаллах и является характеристикой вещества. Для одиночных простых молекул полосы распадаются на отдельные, узкие полосы или линии. Сложные, большие молекулы также имеют полосатый спектр. Усложнение полосатого спектра по сравнению с линейчатым возникает из-за дополнительных степеней свободы в сложных молекулах — колебаний атомов в молекуле, а также вращении атомов в молекуле вокруг общего центра тяжести. Энергия таких движений при энергетических переходах сопровождается изменением квантовых состояний колебания и вращения молекулы, а частота излучаемого или поглощаемого излучения описывается формулой Н. Бора:

$h_{\nu }=W_{1}-W_{2}$,

где $W_{1}$ и $W_{2}$ значения полной энергии молекулы, включающие колебания и вращения атомов в конечном и начальном состояниях.

Полная энергия молекулы $E$ может быть приближённо представлена в виде суммы квантованных энергий всех видов движения, в которых она участвует:

$E=E_{e}+E_{o}+E_{r}$,

причём

$E_{e}\gg E_{o}\gg E_{r}$,

где $E_{e}$ — энергия переходов электронов, $E_{o}$ — энергия колебательного движения, $E_{r}$ — энергия вращательного движения.

Если не учитывать энергию вращения молекулы, вносящую незначительный вклад в её общую энергию, то частоту электронного перехода в молекуле можно приближённо описать формулой Анри Деландра:

$\nu =\nu _{e}+n(a-bn)-n'(a'-b'n')$,

где $\nu _{e}$ — частота электронного перехода, $n$ и $n'$ — квантовые числа начального и конечного состояний колебаний молекулы, $a$, $b$, $a'$ и $b'$ — числа, характеризующие динамические условия двух колебательных состояний. Видно, что каждый электронный переход сопровождается группой линий, соответствующих различным значениям квантовых чисел $n$ и $n'$, следовательно, полосатый спектр является двойным многообразием полос, частоты которых описывается формулой Деландра. Каждая линия полосы соответствует определённому состоянию вращения молекулы. Согласно принципу отбора, квантовое число $m$, изменяющееся дискретно на $\pm 1$ или на $0$, даёт три линии, соответствующие переходам:

$m\rightarrow m-1$ , положительная ветвь $R$;

$m\rightarrow m+1$, отрицательная ветвь $P$;

$m\rightarrow m$, нулевая ветвь $Q$,

на которые распадается каждая полоса, и которые расходятся из одного места полосы. Нулевая ветвь $Q$ соответствует невращающимся молекулам, и её появление крайне маловероятно, согласно закону Максвелла-Больцмана.

На рисунке показаны полосатые спектры угольной дуги (полосы молекул ${\ce {CN}}$ и ${\ce {C2}}$) и спектр испускания паров иода ${\ce {I2}}$.

Использование

С помощью молекулярной микроскопии определяют состав многих важных веществ в народном хозяйстве, например, нефтепродуктов, полимеров, продукции химических производств. Изучение полосатых спектров позволяет лучше узнать структуру молекул как известных веществ, так и синтезированных, в том числе и с помощью современных технологий. Изучаются электронные оболочки молекул по характеру спектров, выделяются уровни возбуждения в молекулах, характеристические частоты колебаний молекул, типы химических связей в молекулах и группах атомов, а также в органических соединениях. Полосатые спектры содержат информацию о колебательных процессах в молекуле, а для молекул простых конфигураций — позволяют вычислить длины связей и валентные углы, исследовать моменты инерции изучаемых молекул.

Литература

• Кондратьев В. Н. Структура атомов и молекул. — Москва : Гос. изд-во физико-математической литературы, 1959.
• Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — Москва : Физматлит, 2003.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — Москва : Физматлит, 2014.
• Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
• Ельяшевич М. А. Вращательно-колебательная энергия многоатомных молекул. — 1938.
• Ельяшевич М. А. Спектры атомов редких земель. — 1940.
• М. В. Волькенштейн, Ельяшевич М. А., Б. И. Степанов. Колебания молекул. — Москва -Л.: Гостехтеоретиздат, 1949; — Москва : Наука, 1972.
• Ельяшевич М. А. Спектры редких земель. — Москва : Гостехиздат, 1953.
• Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. — Москва : Физматгиз, 1962; М.: Эдиториал УРСС, 2001.
• Барсуков О. А., Ельяшевич М. А. Основы атомной физики. — Москва : Научный мир, 2006.

Ссылки

• Молекулярные спектры

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Полосатый спектр», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Полосатый_спектр» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».