Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
5°. Атомными (гомеополярными) называются молекулы, возникшие в результате взаимного притяжения нейтральных атомов. Химическая связь атомов в гомеополярной молекуле называется ковалентной связью. Ковалентная связь обладает свойством насыщения (насыщение ковалентной связи), которое выражается в определенной валентности атомов. Атом водорода связывается только с одним другим атомом, а атом углерода не более чем с четырьмя другими атомами. Простейшей молекулой с ковалентной связью является молекула водорода H2, состоящая из двух электронов и двух ядер — протонов.
564 ГЛ. VI.2. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, ИХ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
В основе квантово-механического объяснения ковалентной связи в молекуле Н2 лежит принципиальная неразличимость
тождественных частиц — электронов в молекуле водорода (см. также VII.2.1.20). Электроны в молекуле Hg, каждый из которых «принадлежит» определенному ядру, можно поменять местами, и это никак не изменит систему — молекулу H2, состоящую из двух электронов и двух ядер. Неразличимость электронов приводит к существованию особого квантово-механического обменного взаимодействия, возникающего между двумя тождественными электронами. Это взаимодействие понимается так, что электрон каждого из атомов молекулы водорода проводит некоторую долю времени у ядра другого атома и таким образом осуществляет связь обоих атомов, образующих молекулу. Из квантово-механических расчетов следует, что при сближении двух водородных атомов на расстояние, соизмеримое с боровским радиусом (VI.2.1.90), при условии, что спины электронов в атомах антипараллельны (т. е. их магнитные спиновые числа (VI.2.2.30) различаются знаком), возникает притяжение обоих атомов друг к другу и образуется устойчивая молекула H2. При параллельных спинах электронов оба атома водорода отталкиваются друг от друга и молекула водорода не образуется.
§ VI.2.5. Некоторые оптические свойства молекул
А) Молекулярные спектры
1°. Спектры молекул — молекулярные спектры — за их характерный вид называют полосатыми спектрами. Они представляют собой совокупность более или менее широких полос, образованных тесно расположенными спектральными линиями. Полосы в молекулярных спектрах наблюдаются в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах шкалы электромагнитных волн (IV.4.4.3°). Близко расположенные полосы образуют группы полос. У простейших двухатомных молекул наблюдается несколько групп полос. У многоатомных, сложных молекул в видимой и ультрафиолетовой областях спектра наблюдаются сплошные широкие полосы ис-пускангія (поглощения).
§ VI.2.5. НЕКОТОРЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОЛЕКУЛ
565
2°. Как и в спектрах атомов (VI.2.1.30), отдельная спектральная линия молекулярного спектра возникает в результате изменения энергии молекулы. Энергия W молекулы представляется в виде суммы следующих, в первом приближении независимых частей:
W = W +W +W +W +W
?У VV ПОСТ ~ ЭЛ ?У кол vv вр ^ ?У яд>
где Wiioct — энергия поступательного движения молекулы CO скоростью ее центра масс (1.2.3.3°), Wsji — энергия электронной оболочки молекулы, Wkoji — энергия колебательного движения ядер атомов, входящих в молекулу, Wbp — энергия вращательного движения молекулы как целого, Wjw —
внутриядерная энергия молекулы. Энергия Wnocl, не квантована (VI. 1.4.3°), и ее изменения не могут привести к возникновению молекулярного спектра, влияние энергии Wka на молекулярный спектр можно в первом приближении не учитывать. Энергия молекулы W', изменение которой определяет молекулярный спектр, состоит из суммы трех слагаемых:
W'= W + W +W
гг гг ЭЛ ¦ гг КОЛ ~ вр1
3°. По правилу частот Бора (VI.2.1.6°), частота v фотона, испускаемого молекулой при изменении ее энергетического состояния, равна
AW' AW AW AW
__ l^vy __ ЭЛ КОЛ ^ Bp
h h h h
где AWajl, AWkoji и AWBp — изменения соответствующих частей энергии W', принимающие дискретные квантованные значения. Возникновение густо расположенных линий, образующих полосы в различных участках спектра, объясняется тем, что AWBp « AWkoji « AW9ji.
В далекой инфракрасной области спектра (длины волн (0,1 -г-1) мм) переход молекулы с одного вращательного энергетического уровня на другой приводит к возникновению спектральных линий вращательного спектра.
4°. В инфракрасной области спектра (длины волн от единицы до нескольких десятков микрон) переходы молекулы между колебательными энергетическими уровнями создают линии колебательного спектра молекулы. При изменении колеба-
566 ГЛ. VI.2. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, ИХ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
тельных энергетических состояний молекулы одновременно изменяются и ее вращательные энергетические состояния. Поэтому переходы молекулы между колебательными уровнями являются колебательно-вращательными переходами, приводящими к возникновению колебательно-вращательного спектра с частотами vKOJI.Bpai4 (рис. VI.2.4). Этот спектр состоит из группы близких линий, определяемых тем, что данный колебательный переход сопровождается сопутствующими вращательными переходами.
5°. Видимая и ультрафиолетовая области спектра молекул возникают в результате переходов молекул между различными электронными энергетическими уровнями. Каждому электронному энергетическому уровню соответствуют различные возможные колебания ядер в молекуле, т. е. набор колебательных энергетических уровней. Переходы между электронно-колебательными уровнями приводят к возникновению электронно-колебательного спектра молекулы, характеризуемого частотами v3JI.KOJI отдельных линий (рис. VI.2.5). Поскольку каждому колебательному энергетическому состоянию соответствует система вращательных уровней (п. 4°), то каждому электронно-колебательному переходу соответствует некоторая полоса. Весь электронно-колебательный спектр молекулы в видимой и близкой к ней областях представляет собой систему из нескольких групп полос.
