- •Часть 1. Тема 1: Основные положения спектроскопии
- •1.1. Основные квантовые законы (постулаты Бора)
- •1.2. Уровни энергии и переходы между ними.
- •1.2.1. Спектр атома водорода
- •1.3. Спектры поглощения, испускания и рассеивания
- •1.3.1. Оптическое возбуждение
- •1.3.2. Комбинационное рассеивание
- •1.3.3. Электрические способы возбуждения
- •1.4. Деление спектроскопии по свойствам излучения
- •1.4.1. Предмет и задачи спектроскопии
- •1.4.2. Деление спектроскопии по свойствам электромагнитного излучения
- •1.5. Деление спектроскопии по свойствам атомных систем
- •1.6. Типы уровней атомов и молекул
- •Тема 2: Спектроскопические методы анализа
- •2.1. Классификация типов спектрального анализа.
- •2.2. Деление спектроскопии по методам: некоторые особенности проведения анализа
- •2.3. Деление спектрального анализа по решаемым задачам: некоторые особенности проведения
- •2.3.1. Элементный спектральный анализ
- •2.3.2. Изотопный спектральный анализ.
- •2.3.3. Молекулярный спектральный анализ
- •Абсорбционный анализ по спектрам поглощения
- •Эмиссионный молекулярный спектральный анализ
- •2.3.4. Анализ структурных элементов сложных молекулярных соединений
- •1. Структурный анализ в уф и видимой областях
- •2. Спектральный структурный анализ в ик области
- •3. Структурный анализ по спектрам комбинационного рассеивания
- •2.4. Общие схемы проведения спектрального анализа
- •2 .4.1. Эмиссионный спектральный анализ
- •2.4.2. Абсорбционный спектральный анализ
- •2.5. Основные характеристики и области применения спектрального анализа
- •Часть 2: Атомная спектроскопия. Тема 3. Уровни энергии и спектры атома водорода и водородоподобных ионов.
- •3.1. Квантовые числа одноэлектронного атома и степень вырождения его уровней.
- •3.2. Невырожденные и вырожденные уровни энергии. Вырождение уровней одноэлектронного атома.
- •3.3. Правила отбора для одноэлектронных атомов.
- •3.4. Тонкая структура уровней энергии и спектральных линий.
- •3.5. Зависимость спектров одноэлектронных атомов от заряда и массы ядра.
- •3.6. Характеристика стационарных состояний одноэлектронного атома.
- •Тема 4. Электронные оболочки атомов и периодическая система элементов.
- •4.1. Квантовые числа электронов в сложном атоме и принцип Паули.
- •4.2. Электронные слои и оболочки и их заполнение.
- •4.3. Зависимость энергии электронов от орбитального кв. Числа.
- •4.4. Свойства элементов с заполненными и незаполненными оболочками.
- •4.5. Типы спектров различных элементов.
- •Тема 5: Основы общей систематики сложных спектров.
- •5.1. Сложение орбитальных и спиновых моментов и типы связи.
- •5.2. Общая характеристика нормальной связи.
- •Тема 6: Рентгеновские спектры.
- •6.1 Общая характеристика рентгеновских спектров поглощения и испускания.
- •6.2. Внутренняя конверсия рентгеновского излучения.
- •Тема 7: Явление Зеемана и магнитный резонанс.
- •7.1. Расщепление уровней энергии в магнитном поле.
- •7.2. Общая картина зеемановского расщепления спектральных линий.
- •Тема 8. Явление Штарка.
- •8.1. Общая характеристика явления Штарка.
- •8.2. Явление Штарка для атомов в общем случае.
- •Часть 4. Молекулярный спектральный анализ Тема 9: ик-спектрометрия и уф-спектрофотометрия
- •9.1. Строение молекулы
- •9.2. Молекулярные спектры
- •9.3. Вращательные спектры
- •9.4 Колебательные спектры
- •9.5 Электронные спектры
- •9.6 Аппаратура ик-спектроскопии.
- •2) Кюветное отделение.
- •3) Фотометр
- •4) Монохроматор
- •9.7 Аппаратура уф – спектроскопии
- •4)Кюветное отделение
- •Тема 10. Качественный и количественный молекулярный анализ.
- •D зависит только от числа поглощающих частиц на пути светового пучка и от их свойств.
- •5.1. Качественный молекулярный анализ
- •5.2. Количественный молекулярный анализ
- •3 Эмиссионный спектральный анализ.
1.5. Деление спектроскопии по свойствам атомных систем
С точки зрения строения вещества наиболее важно деление спектроскопии по свойствам атомных систем, дающих спектры в соответствии с их составом и строением. Различаются:
Ядерная спектроскопия
Атомная спектроскопия
Молекулярная спектроскопия
Спектроскопия конденсированных систем
1. Ядерная спектроскопия
Изучает уровни энергии атомных ядер и переходы между этими уровнями.
Наряду с переходами с электромагнитным излучением, дающим γ-спектры, возможны переходы, сопровождающиеся α и β излучениями, т.е. испусканиям α-частиц (ядер гелия) и β-частиц (β- - электроны, β+ - позитроны). Обычно в ядерную спектроскопию включают: γ, α, β спектроскопии.
2. Атомная спектроскопия
Изучает электронные уровни энергии атомов и переходы между ними.
Именно она сыграла большую роль в развитии учения о строении вещества. Для атомов были впервые сформулированы постулаты Бора, а объяснение спектра водорода указало пути объяснения спектров любых атомных систем.
3. Молекулярная спектроскопия
Изучает электронные, колебательные, вращательные уровни молекул и переходы между ними.
В связи с большой сложностью и разнообразием молекулярных спектров по сравнению с атомными в молекулярной спектроскопии имеется гораздо больше не разрешённых проблем, чем в атомной.
4. Спектроскопия сконденсированных систем
Спектроскопия СС (кристаллов, аморфных тел, жидкостей) изучает уровни энергии этих сложных систем и переходы между ними.
Число проблем здесь ещё больше. Спектроскопия сконденсированных систем тесно связана с атомной и молекулярной спектроскопией, в значительной степени опираясь на результаты этих разделов спектроскопии.
Nβ: Атомная и молекулярная спектроскопия представляют теоретическую основу атомного и молекулярного спектрального анализа
1.6. Типы уровней атомов и молекул
При изучении атомных систем различного рода имеют дело с различными типами уровней. Типы уровней отличаются:
Характером движения в изучаемых системах
Порядком величины разностей энергий ΔE соседних уровней данного типа, составляющих 10-6..10-11 эВ, что соответствует изменениям длинны волны 10-10..10-7 см.
Для атомов и молекул существуют следующие основные типы уровней и соответствующие переходы:
Электронные уровни энергии – уровни энергии, связанные с движением электронов относительно ядер. Различают:
Уровни электронов внутренних оболочек. Энергии связи в них – 104 эВ. Переходы между ними дают рентгеновские спектры и изучаются методами рентгеновской микроскопии
Уровни внешних электронов. Энергии связи порядка нескольких эВ, переходы между этими уровнями дают оптические спектры в видимой и ультрафиолетовой областях.
Колебательные уровни молекул. Связаны с колебательными движениями ядер в молекулах около некоторых равновесных положений, т.е. связанными с колебаниями молекул, приближённо являющимися гармоническими.
Частоты этих колебаний соответствуют энергиям 0,025..0,5 эВ, соответствующие переходы между колебательными уровнями молекул изучаются методами ИК-спектроскопии и методами комбинационного рассеивания света. Так же колебательные уровни молекул можно определять путём исследования электронно-колебательных спектров в видимой и УФ-областях. Электронные переходы в молекулах сопровождаются изменениями колебательной энергии, что и приводит к возникновению электронно-колебательных спектров.
Вращательные уровни молекул. Связаны с движением молекулы как целого. Приближённо вращение молекулы рассматривают как свободное вращение твёрдого тела с тремя моментами инерции вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей:
Сферического волчка – все 3 момента инерции одинаковы
Симметричного волчка – 2 момента инерции одинаковы, а третий – отличен от них
Ассиметричного волчка – все три момента различны
Разности энергий отдельных вращательных уровней составляют 10-2..10-5 эВ. Малые доли эВ (10-5) для наиболее тяжёлых молекул, 10-2 – для самых лёгких.
Вращательные переходы изучаются:
Методами ИК-спектроскопии
Методами комбинационного рассеивания света (по малым изменениям Δυ частоты υ рассеянного света)
Методами радиоспектроскопии в микроволновой области спектра
Вращательные уровни молекул можно так же определять на основе изучения колебательно-вращательных спектров в близкой ИК-области и электронно-колебательных спектров в видимой и УФ-областях
Уровни тонкой структуры – близко расположенные уровни энергии атомов и молекул, связанные с наличием у электрона собстевенного момента (спина).
Разности энергий – 10-5 (для атома H+) .. 10-1 (для самых тяжёлых атомов и для молекул, содержащих такие атомы). В видимой и УФ областях получается так называемая «мультиплетная» структура спектров, представляющая собой совокупность близко расположенных линий (мультиплеты). Отсюда и появилось название «тонкая структура».
Уровни сверхтонкой структуры. Очень тесно расположенные уровни энергии атомов и молекул, связанные с наличием у атомных ядер собственных молекул (ядерных спинов).
Появление уровней обусловлено взаимодействием магнитных и электрических моментов ядер с электронными оболочками атомов и молекул. Разности энергий уровней очень малы: 10-7..10-5 эВ. Соответствующие переходы изучаются радиоспектроскопическими методами ядерного резонанса (магнитного и квадрупольного). В видимой и УФ областях наблюдается сверхтонкое расщепление спектральных линий.
Уровни магнитной структуры. Уровни, получающиеся при расщеплении уровней энергии свободных атомов и молекул во внешнем магнитном поле.
Расщепляются электронные и вращательные уровни молекул и уровни сверхтонкой структуры. Величина расщепления электронных уровней в сильных полях порядка 10-4 эВ, вращательных и сверхтонких уровней – 10-7 эВ.
Уровни электрической структуры. Уровни энергии, получающиеся при расщеплении уровней энергии свободных атомов и молекул во внешнем электрическом поле.
Расщепляются электронные уровни атомов и молекул и вращательные уровни молекул, обладающих дипольным электрическим моментом. Величина расщепления электронных уровней порядка 10-4..10-3 эВ, величина расщепления вращательных уровней – 10-6 эВ. В видимой и УФ областях наблюдается расщепление спектральных линий атомов в электрических полях, соответствующих расщеплению электронных уровней – явление Штарка. Расщепление вращательных уровней изучается радиоспектроскопическим методом электрического резонанса.