Вопрос 2. 5 минут Основные понятия квантовой теории.

В современной квантовой теории положение электрона в атоме не связывают с какой-либо орбитой, т. е. не устанавливают точного положения электронов в объеме атома, а рассматривают вероятность нахождения электрона в том или ином месте объема. Заряд электрона распределен по всему объему атома, образуя электронное облако переменной плотности. Плотность электронного облака в любой точке объема атома соответствует вероятности нахождения электрона в этой точке.

В квантовой механике состояние движения электронов в атоме характеризуется не одним, а четырьмя квантовыми числами:

1. Главное квантовое число n принимает только целочисленные значения от 1 до бесконечности.

2. Побочное (или орбитальное) квантовое число l принимает значения от 0 до (n-1) (всего n значений).

3. Магнитное квантовое число m_l принимает целочисленные значения от –l до +l, включая 0 (всего (2l+1) значений).

4. Спиновое квантовое число m_s может иметь только два полуцелых значения: + ½ и –½.

Квантовые числа определяют возможные энергетические состояния электронов в атоме. Каждый электрон характеризуется определенным набором квантовых чисел. Совокупность электронов, характеризующихся одним главным квантовым числом образуют энергетический уровень атома. Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням осуществляется на основе принципов:

1. Принцип Паули: В атоме не может быть электронов, характеризующихся одинаковым набором квантовых чисел.

2. Принцип минимума энергии: Распределение электронов в атоме соответствует минимуму энергии атома.

Вопрос 3. 23 минут. Структура энергетических уровней сложных молекул. Молекулярные спектры.

В многоатомных молекулах можно выделить три вида движения: 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 движения энергия молекулы приблизительно может быть представлена в виде суммы энергий электронной, колебательной и вращательной:

E=E_эл+E_кол+E_вр (6.)

По значению слагаемые в формуле (6.) различаются меж­ду собой: Е_эл ~ 1 эВ, Е_кол ~ 10² эВ, Е_вр ~ 10⁴ эВ. Энергия молекулы квантуется. Возможные значения энергии определяются внутренним строением самой молекулы. Электрон­ные состояния, обозначенные буквами , , , …., харак­теризуются определенными уровнями электронной энергии 0, 1, 2, ... (рис. 3). Самому нижнему, нулевому уровню соответствует основное, невозбужденное, состояние, всем остальным уровням — возбужденные состояния. Переходам из основного состояния в возбужденные (рис. 3, изображены стрелками) соответствует поглощение энергии молекулой, обратным переходам — ее выделение.

В каждом электронном состоянии возможно несколько разных колебаний (рис. 3, колебательные уровни v₀, v_l, v₂, ..., v’₀, v’_l, v’₂). В каждом электронно-колебательном состоянии возможны различные вращения (рис. 3, вращательные уровни j₀, j_l, 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:

h=E’-E= (E’_эл-E_эл)+ (E’_кол-E_кол)+(E’_вр-E_вр), (1.7.)

где h — постоянная Планка;  — частота излу­чения; Е' и Е — энергии верхнего и нижнего энергетических уровней молекулы; Е'_эл, Е’_кол, Е'_вр и Е_эл, Е_кол, Е_вр —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 Е_эл=0, а Е_кол0 и Е_вр0, то возникают колебательно-вращательные спектры (их называют колебательными). Если изменяется только вращательная энергия (Е_эл=0, а Е_кол=0 и Е_вр0,), 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 Е_элЕ_кол Е_вр, то при изучении электронных спектров вращательной структурой спектров можно пренебречь.

2







’₂

’₁

’₀

j’₂

j’₁

j’₀

1

₂

₁

₀

j₂

j₁

j₀

0

Рис. 3. Схема энергетических уровней молекулы.