Статья: Закон формирования спектров атомов и ионов

11. Молекулярная спектроскопия

Молекулярная спектроскопия значительно сложнее атомарной. И нет ещё единой теории для расчёта молекулярных спектров. Тем не менее, главная особенность отличия атомарной от молекулярной спектроскопии уже известна. Её суть в том, что валентные электроны атомов, соединяясь и формируя молекулу, излучают фотоны, энергии которых соответствуют энергиям связи валентных электронов, которые они имели бы, находясь на межатомарных энергетических уровнях (рис. 3). Такую закономерность легче всего увидеть при формировании самой простой молекулы - молекулы водорода (рис. 5) [1].

Рис. 5. Схема молекулы водорода с энергиями связи

Два протона и два электрона, как принято в современной химии, образуют структуру с довольно прочной ковалентной связью, равной 436 кДж/моль. В расчете на одну молекулу это составит

, (29)

а на один атом - 2,26 eV. Эта энергия соответствует энергии связи электрона с протоном атома водорода, если бы он занимал положение между вторым ( n=2) и третьим (n-3) энергетическими уровнями, соответствующими атомарному состоянию (табл. 21).

Таблица 21. Энергии связи между протоном и электроном атома водорода

Из этого следует, что спектральная линия молекулы водорода с энергией связи должна располагаться между спектральными линиями, соответствующими 2-му () и 3-му () атомарным энергетическим уровням этого электрона (рис. 3 и 5).

Однако осциллограмма спектра атома водорода (рис. 3) вместо чёткой спектральной линии, соответствующей энергии , имеет светлую зону (рис. 3, слева).

Поскольку , то это означает, что процесс формирования молекулы водорода сопровождается переходом электрона с 4-го энергетического уровня на молекулярный уровень, расположенный между 2-м и 3-м атомарными уровнями (табл. 22, рис. 3).

Таблица 22. Энергии фотонов, излучаемых электронами при их последовательных переходах на второй энергетический уровень

В научной литературе, посвящённой водороду, приводятся разные интервалы температур, при которых водород находится в атомарном состоянии. Некоторые авторы приводят такой интервал температур . У других авторов верхний предел достигает 10000К. Наши личные наблюдения за процессом плавления кончика вольфрамового электрода в плазме атомарного водорода при плазменном электролизе воды показали, что скорость его плавления и испарения зависит от плотности раствора и приложенного напряжения. Известно, что температура плавления вольфрама превышает 6000К. Это даёт нам основание взять для расчётов максимальный предел температуры плазмы атомарного водорода, примерно, равный 6500К. Тогда длины волн фотонов, формирующих эти температуры, будут равны:

; (30)

. (31)

Частоты этих фотонов равны соответственно:

; (32)

. (33)

Энергии этих фотонов равны соответственно:

; (34)

. (35)

Итак, из рис. 3 и табл. 22 следует, что энергетический интервал между вторым и третьим энергетическими уровнями равен 1,89 eV, а энергии фотонов, формирующих температуру 2500 К равны 1,069 eV. Это значит, что при температуре 2500К электроны атомов водорода оказываются на третьих энергетических уровнях и при соединении в молекулу излучают фотоны с энергиями 1,069 eV и их спектральная линия оказывается между вторым и третьим атомарными энергетическими уровнями (рис. 3).

Далее, при температуре 6500К электроны атомов водорода тоже могут вступать в связь и излучать фотоны с энергиями 2,688 eV (35). Тогда их спектральная линия окажется между вторым и третьим атомарными энергетическими уровнями на энергетическом расстоянии от четвёртого энергетического уровня равном 2,688-0,85=1,838 eV, а от второго (рис. 3 и 5) - 1,890eV- 1,838eV=0,052eV.

На рис. 3 интервал формирования молекулярного спектра атома водорода совпадает со светлой зоной (А-В - левая часть) осциллограммы. Это доказывает, что данная зона формируется фотонами при синтезе молекул водорода и у неё нет ярко выраженных спектральных линий. Из изложенного следует, что при формировании молекулы электроны атомов водорода вступают в связь друг с другом, уходя с четвёртого или третьего энергетических уровней атомарного состояния.

Поскольку атом водорода является главным соединительным звеном многих молекул и кластеров, то указанная светлая зона (рис. 3, слева) доказывает возможность плавного изменения температуры среды, формируемой совокупностью фотонов, излучаемых электронами атомов водорода. Поэтому процесс формирования светлой зоны на осциллограмме атома водорода неизбежно будет предметом тщательного анализа.

Есть основания полагать, что у более сложных молекулах молекулярные спектры формируют не только валентные электроны, но и электроны атомов, не имеющие валентных связей.

Таким образом, молекулярные спектры отличаются от атомарных тем, что их спектральные линии расположены между атомарными спектральными линиями. Поскольку молекулы реагируют на малейшие изменения температуры среды, то их валентные электроны непрерывно поглощают и излучают фотоны. В результате, электроны некоторых молекул формируют густо расположенные молекулярные спектральные линии (рис. 6), которые иногда сливаются, как у молекул водорода, в сплошные светлые зоны (рис. 3).

Рис. 6. Молекулярный спектр поглощения неизвестной молекулы (Интернет)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальная спектроскопия содержит самый большой массив информации о поведении обитателей микромира. Однако, отсутствие аналитической теории расчёта спектров атомов и ионов сдерживало понимание процессов взаимодействия электронов атомов с их ядрами. Теперь, когда мы имеем математическую модель для расчёта спектров атомов и ионов (15), математическую модель (16) для расчёта энергий связей электронов с протонами ядер в момент пребывания их на любом энергетическом уровне и математическую модель (19) для расчёта спектров электронов при их межуровневых переходах, процесс взаимодействия электронов атомов с их ядрами прояснился. Представленный закон формирования спектров атомов и ионов не имеет альтернативы. Поэтому есть все основания считать, что он готов к включению в учебный процесс.

ЛИТЕРАТУРА

1. Канарёв Ф.М. Монография микромира.

http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/663-2012-08-19-17-07-36

2. Стриганов А.Р., Одинцова Г.А. Таблицы спектральных линий. М.: Наука. 1977.

3. Зайдель А.Н. и др. Таблицы спектральных линий. М. Наука.1977.