энергетические переходы в атоме

Ответ от Владимир Смольский[гуру]
Атом - это ядро и электронная оболочка вокруг него. Энергия атома равна суммарной энергии электронов оболочки в поле ядра.
Следовательно, в атомной спектроскопии мы наблюдаем электронные переходы - т. е процессы излучения или поглощения квантов света при переходе электрона с одного уровня на другой.
Спектроскопия ионов аналогична атомной.
Молекула состоит из нескольких атомов. У нее также имеется электронная оболочка и электронные уровни энергии. Также можно наблюдать электронные переходы. Но энергетический спектр молекулы сложнее атомного. Помимо электронных энергетических уровней в молекуле есть колебательные и вращательные уровни энергии.
Колебательная энергия молекулы связана с колебаниями ядер относительно друг друга - это аналог колебаний двух тел, связанных пружиной.
Вращательная энергия молекулы - это кинетическая энергия вращения молекулы, как тела. Линейные молекулы имеют две степени вращения (одна степень вращения, ось вращения вдоль оси молекулы, не имеет момента инерции, поэтому выпадает) . Нелинейные молекулы - 3 степени вращения.
И колебательная энергия и вращательная имеют дискретные значения - .т. е квантуются.
Е кол = hv (V +1/2) где hv - колебательный квант, V - колебательное число может принимать любое положительное целое значение, включая 0.
Е вращ = B J(J+1) - B вращательный квант, J - вращательное квантовое число принимает любое положительное целое
Важно понимать масштаб величин - разница энергий (иногда говорят расстояние между энергетическими уровнями) между соседними электронными уровнями энергии большое. Разница между соседними колебательными меньше, чем у электронных. А у вращательных в 100-1000 раз меньше, чем у колебательных.
Т. е. каждый электронный уровень имеет колебательные подуровни, а каждый колебательный - вращательные подуровни.
Тема молекулярной спектроскопии объемная и сложная - смотрите литературу например,
Отмечу только одно. В молекуле наблюдаются
1) электронно-колебательные переходы.
Это излучение связано с переходом электрона с одного уровня на другой, при этом необходимо учесть колебательную энергию молекулы (колебательное число) в верхнем и нижнем состоянии. Наблюдаются вертикальные переходы (такой термин) .
Существенно, что мы имеем для одного электронного перехода целое семейство переходов.
2) колебательно-вращательные переходы.
Здесь электрон не переходит с одного уровня на другой - меняется колебательная энергия молекулы. Самыми вероятными (дипольное приближение) являются переходы, когда колебательное квантовое число меняется на 1-цу т. е. с V на V-1. При этом вращательное квантовое число также меняется на 1-цу (в плюс или минус от исходного) .
Например, молекула HF переход Pv(J).
Означает
P - вращательное число нижнего уровня на 1-цу больше, чем у верхнего
V - колебательное число верхнего уровня (у нижнего будет на 1 меньше)
J - колебательное число нижнего
Так Р4(13) это переход с V=4 J=12 на V=3 J=13
R - когда J уменьшается на 1-цу
Q - J не меняется
Так Q4(13) это переход с V=4 J=13 на V=3 J=13
3) чисто вращательные переходы
- когда и электронное состояние не меняется и колебательный уровень один и тот же, а меняется только вращательная энергия. Длина волны излучения в этом случае 100-1000 мкм т. е. может достигать 1 мм.