7.2 分子的能级和光谱.PPT

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7.2 分子的能级和光谱

§7.3 拉曼散射和光谱 1928年,印度物理学家拉曼(C.V.Raman,1888-1970)发现,当光束被溶液中的分子散射时,在散射光谱中,除了有原来的频率n0 外,还有较弱的n0 ±n 的新频率出现。 瑞利线 ( n0 ) 红伴线(Stokes Line) ( n0 -n ) 紫伴线(Anti-stokes Line) ( n0 +n ) C.V.Raman (1888-1970) The Nobel Prize in Physics 1930 实验结果: n 与n0 无关,只与散射样品分子的振动和转动能级有关。 振转拉曼光谱中,ASL线要比SL线强度弱得多,但随着温度的升高,ASL线强度迅速增加,而SL线强度则变化不大。 转动拉曼光谱线几乎以相同强度分布在瑞利线、振转光谱中SL线和ASL线的两侧,且有关系 理论解释: 外界光波交变电场强度 分子在其作用下,会产生受迫振动,出现感生电偶极矩 考虑分子作振动和转动,极化率受其调制而改变,使得 常温下 拉曼效应跃迁选择的定则为 拉曼效应跃迁选择的定则为 瑞利线 黄永义 交大光信息系 第七章 分子 基本内容: 化学键 分子的能级和光谱 拉曼散射和光谱 §7.1 分子 — 分子中原子间的静电相互作用 离子键、共价键、金属键、氢键、范德瓦期键等 一. 离子键 3s 3p Na (11): 1s22s22p63s1 Cl (17): 1s22s22p63s23p5 IE ( Ionization Energy): 5.14 eV 电子亲和能(electron affinity,EA): 3.61 eV 系统的总能量 Rc 临界距离 分子 R0 / nm B / eV KCl 0.27 4.1 LiF 0.16 5.9 NaBr 0.25 3.7 NaCl 0.24 4.2 R0 Rc 能量升高的原因: 1.原子核间的排斥作用 2.Pauli不相容原理 Na+ 2p电子和Cl- 3p电子云 重叠,电子不能处于相同 的量子态,因此电子要处 于更高的量子态。系统能 量增高了 二 . 共价键 1. 氢分子离子H2+ H2+分子的哈密顿算符为 定态薛定谔方程为 由于隧道效应,电子出现在 y1 和 y2 的概率相同,可能的态 Atomic Orbital Molecular Orbital 两核间距离 结合能 R0=0.11nm,B =2.7eV Bonding Orbital Anti-bonding Orbital 2. H2分子 Bonding Orbital(自旋反向,可占据同一轨道) Anti-bonding Orbital R0=0.074nm,B =4.48eV √ R0=0.11nm,B =3.1eV 共价键特点: 方向性 饱和性 价键理论 (VB) Valence Bond 分子轨道理论(MO) Molecular Orbit 配位场理论 (LF) Ligand Field 处理分子结构问题的三个基本理论 价键理论的基本要点: 成键双方的原子轨道尽可能最大程度地重叠。 形成共价键时键合原子双方各提供自旋方式相反的未成对 价电子用以成对 0.74eV §7.2 分子的能级和光谱 ● 电子能级 ● 振动能级 ● 转动能级 一. 双原子分子的转动能级和光谱 分子绕质心的转动能量 (分子轴) 转动常量 例: 对HCl分子,实验测得其的平衡距离R0=0.13nm,试求对J =1的转动能级的能量是多少? 解: 例: 已知H2分子两原子核间的平衡距离r0=0.074nm,试求其最低的三个转动能级的能量。 解: 修正式 转动能级跃迁的选择定则为 HCl分子的转动吸收谱 分子转动能量增大时,离心力增大,导致平衡距离 R0增大,转动惯量不再是常数,转动能公式修正为 二 .双原子分子的振动能级和光谱 由量子力学给出的修正后的分子振动能量为 简谐振动能级之间的辐射跃迁选择定则为 非简谐振动能级跃迁的选择定则为: 分子振动幅度大,势能偏离抛物线 力不再是弹性力,就出现了高次项 振动也不是简谐振动了 在室温下,绝大多数分子是处在电子基态和振动基态,因此通常观测到的是由 v = 0 能级产生的吸收谱。 基频带 第一泛频带 第二泛频带 例: 实验测得HCl分子的振动光谱,在基频带 2885.9 cm-1 处有较强的吸收峰,在第一泛频带 5668.0 cm-1 处吸收峰较弱,在第二泛频带 8346.9 cm-1 处吸收峰已很弱。试根据上述数据求HCl分子的振动频率对应的波数 、非谐系数和力

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