Главная > Физика > Введение в физику (А. И. Китайгородский)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Колебания многоатомной молекулы.

Многоатомная молекула может совершать большое число колебательных движений, равное числу колебательных степеней свободы. Это число подсчитывается следующим образом. Молекула из атомов имеет степеней свободы. Три из них приходятся на координаты центра инерции молекулы. Число вращательных степеней свободы в общем случае также равно трем. Однако у линейных молекул всего лишь две вращательные степени свободы, поскольку вращение около линии, проходящей через центры атомов, лишено физического содержания. Таким образом, число степеней свободы, а вместе с ним и число колебательных частот, равно или Некоторые из этих частот могут не проявиться, если при соответствующем колебании дипольный момент молекулы не меняется (к вопросу о таких, как говорят, неактивных колебаниях мы еще вернемся). Как бы то ни было, число колебательных частот, а значит, и число полос в инфракрасном спектре, строго определено числом атомов и симметрией молекулы.

Если вращение молекул отсутствует (твердое тело), то инфракрасный спектр поглощения состоит из линий, соответствующих колебательным переходам. Ввиду сильного поглощения (исследование поневоле происходит в толстых слоях) в обычных условиях линии сливаются в полосу. В жидкостях вращение молекул заторможено и вращательная структура полосы размыта. Отдельные линии, составляющие полосу, уже не видны.

Остановимся теперь на вопросе о физическом смысле частот колебания многоатомной молекулы. О каких, собственно говоря, колебаниях идет здесь речь? В случае двухатомной молекулы вопрос был ясен: речь шла о колебаниях вдоль линии связи. Какие же величины колеблются по гармоническому закону в многоатомных молекулах?

При любом колебании молекулы отклонения атомов от положения равновесия можно описать смещениями вдоль связи и искажением валентных углов. координат (в широком смысле этого слова) исчерпывающим образом опишут мгновенную конфигурацию колеблющейся молекулы. При произвольном выборе координат их значения не будут меняться по закону простейшего колебания.

Закон изменения во времени каждого будет изображаться сложной и запутанной кривой, хотя и периодической, бднако оказывается, что можно прибегнуть к такому описанию колеблющейся молекулы числами при котором эти числа менялись бы по гармоническому закону, колебались бы с частотами Эти «координаты» носят название нормальных, а называются частотами нормальных колебаний.

Возможность введения нормальных координат означает, что периодические кривые изменения любых других координат могут быть разложены в спектр по частотам нормальных колебаний. Как бы мы ни подходили к колебательному спектру, мы всегда

придем к заключению, что он составлен частотами нормальных колебаний.

Что же это за координаты получаются ли они при каком-то особенном выборе системы отсчета? Нет, нормальные координаты — это, прежде всего, линейные комбинации смещений Поэтому каждая нормальная координата описывает колебание молекулы в целом. Примеры нормальных колебаний молекул приведены на рис. 231 и 232. Реальное колебание представляет собой одновременное выполнение всех этих движений.

При помощи спектра можно определить совокупность частот нормальных колебаний молекулы. Эти данные могут быть использованы для того, чтобы создать отчетливую картину колебаний молекулы.

Рис. 231.

Рис. 232.

Для прикладных целей имеет большое значение характеристичность многих частот колебаний. Специальное рассмотрение показывает, что в некоторых нормальных колебаниях главным образом меняется какое-либо одно межатомное расстояние или один валентный угол. Естественно, такая частота мало меняется в группе родственных соединений, если только молекула содержит эту связь. Это обстоятельство используют в химии.

Измерение колебательных частот молекулы производят не только с помощью инфракрасных спектров поглощения, но и методом комбинационного рассеяния (раман-спектры). Как мы увидим ниже, эти два метода полезно дополняют друг друга.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление