МИКРОВОЛНОВАЯ (ВРАЩАТЕЛЬНАЯ) СПЕКТРОСКОПИЯ

МИКРОВОЛНОВАЯ
(ВРАЩАТЕЛЬНАЯ)
СПЕКТРОСКОПИЯ
Методы молекулярной спектроскопии. Микроволновая спектроскопия
1
В микроволновом диапазоне ~10 – 40 ГГц возбуждаются
вращательные переходы молекул.
Линейные молекулы имеют 2 степени свободы
вращательного движения.
B
A
B
A
Нелинейные молекулы имеют 3 степени свободы
вращательного движения.
B
C
A
B
C
A
B
C
A
Методы молекулярной спектроскопии. Микроволновая спектроскопия
2
Теория вращательных спектров
r
mA A
Энергия вращательного движения
в классической механике:
B
центр
тяжести
масс
Eвращ. – энергия
вращательного движения,
I – момент инерции,
ω – угловая скорость,
m – массы атомов,
r – межатомное
расстояние,
J – вращательное
квантовое число.
mB
Энергия вращательных уровней в
квантовой механике:
Правило отбора: разрешены переходы
только между соседними уровнями!
Методы молекулярной спектроскопии. Микроволновая спектроскопия
3
Частота поглощения
вращательных переходов:
J=3
J=2
J=1
J=0
Вращательный спектр
представляет собой набор
эквидистантных линий, частоты
которых различаются на величину
h/42I.
Условие наблюдение полос в вращательных спектрах – изменение
стационарного дипольного момента () молекулы при вращательном переходе.
Симметричные не имеющие дипольного момента молекулы H2, N2, CH4, CCl4
не дают вращательных спектров.
Методы молекулярной спектроскопии. Микроволновая спектроскопия
4
Вращательный спектр оксида углерода СО
5
Методы молекулярной спектроскопии. Микроволновая спектроскопия
Техника эксперимента в микроволновой спектроскопии
Регистрируют спектры молекул только в газообразном состоянии
при давлении 0.1-10 Па.
Блок-схема микроволнового спектрометра
электрод Штарка
поглощающая ячейка
(длина 3-5 м) с нагревателем
генератор СВЧ волновод ~5-10 м
клистрон
система ввода образца
и вакуумирования ячейки
детектор
Генератор СВЧ – клистрон – электронный прибор, создающий
монохроматическую линейно поляризованную электромагнитную волну.
Электрод Штарка служит для экспериментов по определению дипольных
моментов молекул.
Детектор – полупроводниковые кристаллы кремния или германия,
точность измерения 10 КГц (~10-6).
Методы молекулярной спектроскопии. Микроволновая спектроскопия
6
Применение микроволновой
вращательной спектроскопии
1. Идентификация веществ по вращательным спектрам: даже
по одной полосе в смеси соединений!
2. Анализ молекул, содержащих изотопные атомы (H35Cl и
H37Cl)
3. Определение геометрических параметров молекул: длин и
углов связей.
4. Расчет электрических дипольных моментов молекул
методом Штарка.
Методы молекулярной спектроскопии. Микроволновая спектроскопия
7
Рекомендуемая литература
1. Беккер Ю. Спектроскопия. Москва: Техносфера, 2009.
2. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и
биологов. Москва: Техносфера, 2007.
3. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы
исследования в химии. Москва: Мир, 2003.
Методы молекулярной спектроскопии. Микроволновая спектроскопия
8