Квантовая теория комбинационного рассеяния света
⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2 Количественно правильное описание явления комбинационного рассеяния света даёт лишь квантовая теория. Поток квантов падающего света определённой энергии взаимодействует с молекулой вещества. Вынужденным колебаниям молекулярного диполя классической теории в квантовой теории соответствуют переходы электронов на некоторые (виртуальные) энергетические уровни молекулы с последующим переходом на один из нижних уровней. При этом если конечный уровень совпадает с исходным, то получаем релеевское рассеяние света, в противном случае- комбинационное рассеяние. Обозначая условно энергию высших энергетических уровней молекул, участвующих в рассеянии, через Е
откуда
Если Е Энергия конечного уровня может быть больше или меньше исходного уровня. Последнее отвечает системе, которая до взаимодействия находилась в возбуждённом состоянии. Соответственно в спектре рассеянного света появляются линии с частотами ( Для гармоничного осциллятора существует следующее правило отбора:
Процесс комбинационного рассеяния можно формально представить следующей схемой:
где М(0)- молекула рассеивающего вещества, находящаяся на нулевом колебательном уровне с
В первом случае (рис.2 а) часть энергии h
Рис.2. Схема энергетических уровней и переходов для стоксовой (а) компоненты и (б) антистоксовой компоненты. Так как при комнатной температуре Т вещества определённое количество молекул N,определяемого формулой Больцмана, находится в возбуждённом состоянии
то часть молекул передаёт избыток своей энергии квантам света возбуждающего пучка. Во втором случае, таким образом, взаимодействие первичного кванта h Отношение интенсивностей антистоксового компонента к стоксовому в спектре рассеянного света представляется выражением
Как правило,
При обычных условиях эксперимента большинство молекул находится на самом нижнем энергетическом уровне с Частота линий комбинационного рассеяния, их число, относительная интенсивность и поляризация дают много сведений о структуре молекул: о характере отдельных колебаний, о пространственном распределении атомов и о порядке величин сил, действующих между атомами и молекулами. Поэтому комбинационное рассеяние света - один из мощных методов исследования молекулярных свойств различных веществ в газообразном и конденсированном состояниях. Описание установки Работа выполняется на спектрографе ИСП-51, оптическая схема которого приведена на рис.3.
Рис. 3. Оптическая схема спектроскопа ИСП-51. 1-кювета с исследуемым веществом; 2-конденсорная линза; 3-призма сравнительная; 4-входная щель; 5-обьектив коллиматора; 6-диспергирующая призма. Рис.4. Принцип работы кюветы и осветителя с эллиптическим зеркалом.
Источником света служит ртутно-кварцевая лампа ПРК-2. Специальная кювета роговидной формы, наполненная хорошо очищенным от разного рода загрязнений и перегнанным веществом, помещается в осветитель, представляющим собой цилиндрическое зеркало с эллиптическим сечением. В одном из фокусов эллипса находится ртутная лампа, в другом - кювета с исследуемым веществом. Роговидная форма кюветы выбрана для того, чтобы отвести прямые возбуждающие лучи в защитную зачерченную часть, и тем самым избежать попадания их в спектрограф. Как известно, оба фокуса эллипса являются сопряжёнными. Поэтому все лучи, выходящие из источника 1 и лежащие в плоскости сечения, после отражения от стенок цилиндра пройдут через кювету К (рис.4). Чтобы предохранить исследуемое вещество от нагревания, осветитель имеет водяную рубашку, по которой циркулирует вода (тепловой фильтр).Свет рассеянный исследуемым веществом, собирается линзой 2 на входной щели спектрографа.
Порядок выполнения работы Согласно рис.3 собирают установку для фотографирования спектра комбинационного рассеяния. При этом надо иметь в виду, что в данной работе включать ртутную лампу без водяного охлаждения категорически запрещается. Поэтому в первую очередь включают водяное охлаждение. Затем с разрешения дежурного лаборанта включают ртутную лампу. Вынимают кювету с исследуемым веществом из осветителя, закрывают заднюю стенку отверстия для кюветы крышкой с отражателем из белой бумаги и передвигая лампу и конденсаторную линзу по рельсу, добиваются яркого и чёткого изображения кружка диофрагмы, находящегося на выходе из отверстия осветителя на ножах входной щели спектографа. Устанавливают ширину входной щели на 0,035 мм, открывают шторку кассеты и фотографируют спектр толуола в течение 1,5 часа. Устанавливают ширину входной щели на 0,01 см и зажигая ртутную лампу, фотографируют спектр ртути. Время экспозиции 10-15 с.(подробно условия фотографирования указаны на рабочем месте).
Длину волн комбинационных линий можно определить и по градуировочному графику. Для этого необходимо определить по измерительной линейке положение линий спектра ртути, (рис.5), а затем построить график
Рис.5. Спектр ртути.
Контрольные вопросы 1. Как объясняется явление комбинационного рассеяния на основе квантово-механических представлений? 2. Чем обуславливается интенсивность стоксовых и антистоксовых линий? 3. В какой области шкалы электромагнитных волн находится спектр соответствующий колебательным переходам молекул? Литература 1. Г.С.Ландсберг. Оптика. Гостехиздат. М.-Л.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|