ФИТР БНТУ – Портал Студентов

МОЛЕКУЛЫ

Атом водорода.

Атом водорода- простейшая реальная атомная система, для которой были получены точные квантово-механические решения.

Атом водорода состоит из протона и электрона. при чем масса протона равна массе ядра и в две тысячи раз больше массы электрона. по этому можно полагать, что ядро неподвижно и кинетическая энергия системы равняется кинетической энергии электрона плюс потенциальная энергия в поле ядра.

Природа химической связи.

Понимание природы химической связи, обусловливающей образование молекул из атомов, кристаллических тел, а также природы молекулярных сил может быть достигнуто лишь на основании правильной, квантовомеханической модели атома, учитывающей волновые свойства электрона.

Волновая функция внешних электронов атома не обрывается резко при увеличении расстояния от центра атома, а постепенно, хотя и быстро, убывает. При сближении атомов размытые электронные облака внешних электронов частично перекрываются, что приводит к возникновению специфического взаимодействия.

Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма, когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму, если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору).

Ионная связь – частный случай ковалентной, когда образовавшаяся электронная пара полностью принадлежит более электроотрицательному атому, становящемуся анионом. Основой для выделения этой связи в отдельный тип служит то обстоятельство, что соединения с такой связью можно описывать в электростатическом приближении, считая ионную связь обусловленной притяжением положительных и отрицательных ионов. Взаимодействие ионов противоположного знака не зависит от направления, а кулоновские силы не обладают свойством насыщености. Поэтому каждый ион в ионном соединении притягивает такое число ионов противоположного знака, чтобы образовалась кристаллическая решетка ионного типа. В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен определенным числом ионов другого знака (координационное число иона). Ионные пары могут существовать в газообразном состоянии в виде полярных молекул. В газообразном состоянии NaCl имеет дипольный момент ~3?10–29 Кл?м, что соответствует смещению 0,8 заряда электрона на длину связи 0,236 нм от Na к Cl, т. е. Na0,8+Cl0,8–.

Обменное взаимодействие.

Обмен электронами в молекуле Н2 может происхо­дить при достаточном сближении ядер атомов водорода. При этом «электронные облака» пере­крываются, а между электронами возникает особое квантовомеханическое обменное вза­имодействие.

Физический смысл его состоит в том, что каждый из электронов в молекуле водорода может принадлежать попеременно то одному, то другому ядру — электроны непрерывно обменива­ются местами. Иллюстрацией этого может служить непрерывный об­мен мячами двух людей, находя­щихся поблизости друг от друга. Если люди специально не трениро­ваны, то успешный обмен мячами возможен лишь на близком рас­стоянии между партнерами.

Квантовомеханические расчеты показывают, что если спины обоих электронов в молекуле водорода антипараллельны, то обменное взаимодействие приводит к притяжению двух атомов Н и образованию устойчивой молекулы Н2. Потенциальная энергия П(г) взаимодейст­вия двух атомов имеет минимум на расстоянии r0 между ато­мами, равном r0= 1,6 a0=0,83 А, где аа — радиус первой боровской орбиты атома водорода. При параллельных спинах электронов атомы Н отталкиваются и молекула Н2 не образуется. Равновесное расстояние r0 и энергия диссоциа­ции D в молекуле Н2, рассчитанные в квантовой механике, находятся в хорошем согласии с эксперимен­тально полученными значениями этих величин.

Спектры, спектральный анализ.

Источник света должен потреблять  энергию. Свет – это электромагнитные  волны с длиной волны 4*10-7 – 8*10-7 м. Электромагнитные  волны излучаются при ускоренном  движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизме  излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей  звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после их возбуждения.

Для того чтобы атом начал излучать,  ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Распределение энергии в спектре.

Ни один из источников не дает монохроматического света, т. е. света  строго определенной длины волны.  В этом нас убеждают опыты по разложению света в спектр с помощью  призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.

Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным  образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового пучка. Можно также  сказать, что энергия распределена  по частотам, так как между длиной волны и частотой существует простая связь: ђv = c.

Спектральные аппараты.

Для точного исследования спектров такие  простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой  пучок, и призма, уже недостаточны.  Необходимы приборы, дающие  четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной  длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является  призма или дифракционная решетка. 

Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение  поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу,  на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом -  собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным  пучком и падает на призму. 

Так как разным частотам соответствуют  различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие  по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии  этой линзы располагается экран – матовое стекло или фотопластинка.  Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране,  и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений.  Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.

Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная  труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется  спектроскопом. Призмы и другие детали спектральных аппаратов  необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются  и такие прозрачные материалы,  как кварц, каменная соль и др.

Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.

Непрерывные спектры. Солнечный  спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены  волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную  полосу.

Линейчатые спектры. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне  определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных  интервалах). Каждая линия имеет конечную ширину.

Полосатые спектры. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками.  С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить,  что каждая полоса представляет  собой совокупность большого  числа очень тесно расположенных  линий. В отличие от линейчатых  спектров полосатые спектры  создаются не атомами, а молекулами,  не связанными или слабо связанными друг с другом.

Люминесценция.

Нагретые тела светятся. При этом энергия теплового движения атомов и молекул переходит в энергию излучаемого света.

Наряду с подобным температурным лучеиспусканием наблюдается свечение тел, вызванное превращением других форм энергии в световую. Эти явления холодного свечения объединяются под общим термином люминесценция. В зависимости от источника энергии, возбуждающего свечение, различают хемилюминесценцию, электролюминесценцию и фотолюминесценцию.

Изучая свечение фосфора, гнилых деревьев, светлячков, В. В. Петров доказал, что обусловлено медленным горением, окислением этих тел или их составных частей. При этом энергия химической реакции окисления частично превращается в световую – происходит хемилюминесценция.

В электрическом разряде энергия, накопленная ионами и электронами, движущимися в электрическом поле, при их соударениях может излучаться в виде света – происходит электролюминесценция.

При фотолюминесценции энергия поглощенного телом света затем вновь излучается в виде света обычно большей длины волны. Для многих веществ, главным образом жидкостей и газов, свечение прекращается практически почти одновременно с прекращением освещения. В других случаях, преимущественно для твердых тел, затухающее послесвечение имеет место в течение длительного времени (минуты, часы). Первый вид люминесценции называют флуоресценцией, а второй – фосфоресценцией.

При фотолюминесценции энергия поглощенного фотона hν0 может частично растрачиваться на различные внутримолекулярные процессы и отдаваться соседним молекулам. Поэтому энергия испускаемого фотона hν может оказаться меньше, чем hν0, на величину энергии А, оставшуюся в веществе на величину А:

hν = hν0-А

Обычно А>0. Но с повышением температуры могут наблюдаться и обратные (антистоксовые) случаи.

Вавилов установил, что энергетический выход люминесценции η сначала растет пропорционально длине волны возбуждающего света, в некотором интервале длин волн остается практически неизменным, а затем быстро падает, как это изображено на рисунке.

Комбинационное рассеяние света

При распространении волн в материальной среде простейшая ситуация соответствует отсутствию какого-либо взаимодействия между волнами. При этом волны проникают одна сквозь другую без каких-либо изменений частоты, амплитуды и фазы соответствующих колебательных процессов.

Более сложная картина реализуется для взаимодействующих волн. В частности, для таких волн может быть осуществлен процесс амплитудной модуляции высокочастотных колебаний низкочастотными. В результате модуляции наряду с исходными волнами с высокой (w0) и низкой (W) частотами возникают комбинационные волны с частотами w0 – W и w0 + W. Именно это свойство волн было использовано создателями радиотелеграфа в конце XIX столетия. При этом несущей высокочастотной волной служила радиоволна, а низкочастотные волны соответствовали звуковому диапазону и представляли собой необходимую для передачи информацию.

Как известно, впервые беспроволочный телеграф на основе модуляции электромагнитных волн радиодиапазона (w0 ~ 1011 Гц) низкочастотными сигналами азбуки Морзе был осуществлен в 1895 году в опытах А.С. Попова. Аналогичные исследования проводились в то же время на Западе Ф. Брауном и Т. Маркони. В 1909 году за создание беспроволочного телеграфа они были удостоены Нобелевской премии.

Ф. Браун был профессором кафедры физики в Страсбургском университете, когда в 1899 году для продолжения своего образования, начатого в Новороссийском университете, в Страсбург прибыл Л.И. Мандельштам. Объектом исследования Л.И. Мандельштама стали акустические волны в твердых телах. Как выяснилось, такие волны существуют в материальных средах даже при отсутствии каких-либо внешних звуковых сигналов. В связи с этим Л.И. Мандельштам в 1926 году опубликовал работу, в которой рассмотрел вопрос о модуляции световых волн в твердых телах тепловыми (акустическими) волнами. Он пришел к выводу, что при распространении света в кристаллах должно происходить рассеяние, сопровождающееся изменением частоты w0 исходного монохроматического излучения до значений w0  W, где W – частота соответствующих акустических колебаний кристалла.

Опыты по исследованию рассеяния света в конденсированных средах были начаты с 1926 года в Москве Г.С. Ландсбергом и Л.И. Мандельштамом. Одним из объектов исследований был кристаллический кварц, в качестве источника возбуждающего излучения применялись интенсивные линии ртутной лампы, выделенные из спектра газового разряда с помощью абсорбционных светофильтров. В результате этих опытов было установлено, что действительно в спектре рассеянного света присутствует слабое излучение, частота которого сдвинута по отношению к частоте первичного, возбуждающего излучения. При этом оказалось, что в спектре имеется несколько симметричных относительно частоты w0 возбуждающего излучения спутников с частотами w0 – Wj (стоксов спутник) и w0 + Wj (антистоксов спутник). Выяснилось также, что наблюдаемые сдвиги Wj частоты w0 возбуждающего излучения на несколько порядков превышают характерные значения частот акустических волн, которые рассматривались как причина рассеяния света в теории Мандельштама. Впоследствии было установлено, что наряду с акустическими волнами вместе с волной возбуждающего излучения могут быть и многие другие типы волн, в частности волны оптических колебаний, характеризуемые встречным типом движения неэквивалентных атомов примитивной ячейки кристалла. Это и было причиной сдвига частоты возбуждающего излучения, наблюдаемого в опытах Ландсберга и Мандельштама. В дальнейшем такой тип рассеяния был назван ими комбинационным рассеянием света.

В то же время (в 1928 году) аналогичные опыты по изучению рассеяния света в жидкостях выполняли индийские физики Ч. Раман и К. Кришнан. В первых опытах индийские ученые использовали в качестве источника возбуждающего излучения солнечный луч. Применяя определенные комбинации абсорбционных светофильтров, они пришли к выводу, что в жидкостях происходит рассеяние света, сопровождаемое сдвигом частоты w’ = w0 – W (w0 – частота возбуждающего излучения, w’ – частота рассеянного света), а результаты своих экспериментов интерпретировали как проявление оптического аналога эффекта Комптона. Такое явление в дальнейшем было названо раман-эффектом. За открытие этого явления в 1930 г. Ч. Раман был удостоен Нобелевской премии.

Парамагнитный резонанс.

Явление электронного парамагнитного резонанса было открыто в 1944 году Евгением Константиновичем Завойским, который обнаружил, что парамагнитный образец, помещенный в постоянное магнитное поле, может поглощать энергию подаваемого на него электромагнитного поля. Поглощение электромагнитного излучения парамагнитными образцами имело избирательный (резонансный) характер, поскольку оно наблюдалось лишь при определенном соотношении между напряженностью постоянного магнитного поля и частотой переменного электромагнитного поля. Поэтому открытое явление получило название электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Метод ЭПР нашел широкие применения в физике, химии, биологии и медицине.

Первый сигнал ЭПР был получен Е.К. Завойским, который изучал некоторые соли ионов группы железа. Используя разработанный им оригинальный радиотехнический метод регистрации электромагнитного излучения метрового диапазона, Завойский обнаружил, что если на парамагнитный образец, помещенный в постоянное магнитное поле, подать слабое переменное электромагнитное поле, то при определенном соотношении между напряженностью H0 постоянного магнитного поля и частотой n переменного поля наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля. Условием наблюдения этого эффекта является перпендикулярная ориентация магнитного вектора переменного поля H1(t) по отношению к направлению статического поля H0 .