Л.11. Фізіка малекул 1. Паняцце аб хімічнай сувязі 2. Валентнасць 3. Малекулярныя спектры 4. Камбінацыйнае рассейванне святла 5. Люмінесцэнцыя 6. Спантаннае і вымушанае выпраменьванне 7. Квантавыя генератары 22.04.2019

Паняцце аб хімічнай сувязі Малекула ўяўляе найменшую часціцу рэчыва, якая з’яўляецца носьбітам яго хімічных і фізічных уласцівасцей. Стабільнасць малекулы вызначаецца яе ўнутранай энергіяй. Калі ўнутраная энергія малекулы як сістэмы атамаў аказваецца меншай, чым сумарная энергія гэтых атамаў у свабодным стане, то малекула існуе як адзінае цэлае. Есв.ст.- Ем = Е – энергія ўтварэння малекулы. 22.04.2019

Такі пераход павінен быць энергетычна выгадным. Пад хімічнай сувязю разумеюць сілы, якія ўтрымліваюць нейтральныя атамы ўнутры малекулы. Два асноўных тыпа хімічнай сувязі: іонная (гетэрапалярная) і кавалентная (гомеапалярная). Іоннная сувязь абумоўлена працэсам перадачы электронаў адным атамам другому. Такі пераход павінен быць энергетычна выгадным.

Электронная канфігурацыя 11Na (1s22s22p63s1) i 17Cl (1s22s22p63s23p5) Электронная канфігурацыя 11Na (1s22s22p63s1) i 17Cl (1s22s22p63s23p5). Ажыццяўляецца пераход электрона з стану 3s у Na у стан 3p у Cl Іоны, якія ўзнікаюць пры гэтым пераходзе, утрымліваюцца ад узаемнага пранікнення сіламі адштурхвання паміж завершанымі L-абалонкамі у Na i Cl. Іонная сувязь даволі моцная. Напрыклад, у крышталі NaCl энергія сувязі роўная 7,9 эВ/малекулу. 22.04.2019

У сувязі з гэтым сфармуляваны тры палажэнні: Кавалентная сувязь Доследы і тэорыя паказваюць, што паміж электронамі акрамя кулонаўскага ўзаемадзеяння існуе дадатковае ўзаемадзеянне, якое абумоўлена наяўнасцю ў іх спінаў. У сувязі з гэтым сфармуляваны тры палажэнні: 1. Аддаленыя адзін ад другога электроны ўзаемадзейнічаюць як класічныя зарады. Калі ж вобласці іх лакалізацыі перакрываюцца, то ўзнікае дадатковае абменнае ўзаемадзеянне. 22.04.2019

2. Абменная энергія (дадатковая, звыш кулонаўскай) ўзаемадзеяння дадатная пры паралельных спінах электронаў. 3. Абменная энергія адмоўная пры антыпаралельных спінах электронаў. Такім чынам, сбліжэнне электронаў прыводзіць да перакрыцця іх вобласцей лакалізацыі і узнікнення дадатковых сіл звыш класічных: пры паралельных спінах – адштурхвання, пры антыпаралельных – прыцяжэння.

Гэта абумоўлена адмоўнымі дабаўкамі абменнай энергіі да класічнай. Праяўленне сіл прыцяжэння тлумачыць той факт, чаму электроны імкнуцца заняць любы энергетычны стан парамі. Стан двух электронаў з супрацьлеглымі спінамі адпавядае мінімальнай энергіі. Гэта абумоўлена адмоўнымі дабаўкамі абменнай энергіі да класічнай. 22.04.2019

Разгледзім працэс утварэння малекулы вадароду з двух аднолькавых атамаў: 1. На вялікіх адлегласцях атамы вадароду, як нейтральныя часціцы, практычна не ўзаемадзейнічаюць. 22.04.2019

2. Збліжэнне атамаў прыводзіць да перакрыцця іх электронных абалонак. Пры гэтым магчымы два выпадкі: а. Спіны электронаў паралельныя. Абменная энергія дадатная, ўзнікаюць сілы адштурхвання і атамы разыходзяцца – малекула не ўтвараецца.

б. Два нейтральных атама вадароду аб’ядноўваюцца ў малекулу калі спіны іх электронаў антыпаралельны Пры гэтым ядра атамаў будуць утрымлівацца на нейкай адлегласці адно ад другога сіламі кулонаўскага адштурхвання. 22.04.2019

Атамы гелію не злучаюцца ні паміж сабой, ні з іншымі атамамі. У атамах гелію два электрона запоўненай К-абалонкі валодаюць супрацьлеглымі спінамі. Атамы гелію не злучаюцца ні паміж сабой, ні з іншымі атамамі. Гелій – інертны газ. Два атама літыю могуць утварыць малекулу пры аб’яднанні электронаў L-абалонкі. Пры гэтым адштурхванне паміж К-абалонкамі будзе трымаць цэнтры атамаў на вызначанай адлегласці. 22.04.2019

Такім чынам, калі малекула ўтвараецца з аднолькавых нейтральных атамаў за кошт спінавога ўзаемадзеяння, прынята гаварыць аб кавалентнай (квантава-механічнай) сувязі. Часцей за ўсё ўтварэнне малекулы (прыцяжэнне атамаў) назіраецца пры антыпаралельных спінах. У кожнай кавалентнай сувязі ўдзельнічае толькі два электрона – па аднаму ад кожнага атама. Кавалентная сувязь валодае ўласцівасцю насычэння, якая вызначаецца тым, што ў атама можа быць столькі кавалентных сувязей, колькі ў яго валентных электронаў.

Напрыклад, у атаме вугляроду чатыры валентных электрона. Напрыклад, у атаме вугляроду чатыры валентных электрона. Таму такі атам уступае ў кавалентную сувязь толькі з чатырма такімі ж атамамі. Пяты атам ужо прыцягвацца не будзе. Іонная сувязь такой уласцівасцю не валодае. Іоны Na+ i Cl-, якія ўтвараюць крышталь NaCl, здольны прыцягваць іоны супрацьлеглага знаку з усіх бакоў. 22.04.2019

Энергія кавалентнай сувязі мае прыкладна такі ж парадак, як і іонная: каля 10 эВ/малекулу. Але ў адрозненне ад крышталяў з іоннай сувязю крышталі, звязаныя кавалентна, валодаюць вялікай цвёрдасцю.

Да неасноўных тыпаў сувязі адносяцца: металічная, малекулярная і вадародная. Металічная сувязь утрымлівае дадатна зараджаныя іоны прыцяжэннем свабодных электронаў, якія ўтвараюць у крышталі электронны газ. Адмоўна зараджаны газ цэментуе дадатна зараджаныя іоны. Гэта сувязь немоцная, яе энергія ~ 1,1 эВ/малекулу. 22.04.2019

Малекулярная сувязь узнікае паміж непалярнымі малекуламі, якія ўзаемадзейнічаюць праз свае дыпольныя моманты. Узаемадзеянне паміж непалярнымі малекула падобна на ўзаемадзеянне цел пры электрызацыі праз уплыў. Гэта самая слабая сувязь. Напрыклад, у метана СН4 энергія малекулярнай сувязі ~ 0,1 эВ/малекулу.

Вадародная сувязь утвараецца праз дадатныя іоны вадароду, г. зн Вадародная сувязь утвараецца праз дадатныя іоны вадароду, г.зн. праз ядра вадародных атамаў (пратоны). Вадародная сувязь існуе напрыклад, у вадзе, дзе напрамкі на два атама вадароду, якія зыходзяць з атаму кіслароду складаюць вугал 1050. 22.04.2019

Электроны атамаў вадароду ўступаюць у кавалентную сувязь з электронамі кіслароду. Пры гэтым ядра атамаў вадароду блізка размешчаны да краю вобласці руху электронаў. За кошт малых памераў іонаў вадароду (~10-15м замест 10-10м) атам вадароду можа ўступаць у іонную сувязь з атамамі кіслароду. Энергія вадароднай сувязі напрыклад, лёду каля 0,5 эВ/малекулу.

Валентнасць Прырода хімічных сувязей паказвае, што хімічна актыўнымі – валентнымі з’яўляюцца толькі тыя электроны, якія не насычаны па спіну. Энергетычна выгаднае аб’яднанне электронаў з супрацьлеглымі спінамі – насычэнне па спіну – прыводзіць да злучэння атамаў у малекулу. 1H - 1s1 , 3Li –1s22s1, 11Na - 1s22s22p63s1 2He - 1s2, 10Ne - 1s22s22p6 22.04.2019

Адрозніваюць валентнасць па вадароду (дадатная), якая вызначаецца колькасцю вонкавых электронаў: Li - 1; Be - 2; B - 3 і г.д. і па хлору (адмоўная), якая вызначаецца рознасцю паміж лічбай 8 і колькасцю вонкавых электронаў: F - (8 -7) = 1; O – (8 - 6) = 2 і г.д. Валентныя электроны, як самыя актыўныя пры ўтварэнні адпаведных сувязей, могуць быць створаны штучна. Гэта значыць, што атамы напрыклад, гелію могуць утвараць малекулу.

Для гэтага іх трэба ўзбудзіць, што прывядзе да новага (іншага) размеркавання электронаў на абалонках і падабалонках. Пры гэтым электрон з стану 1s К-абалонкі пераходзіць напрыклад, у стан 2s L-абалонкі. Спін такога электрона будзе нескампенсаваны і ён можа ўзаемадзейнічаць з іншым электронам. Аднак такая малекула будзе вельмі неўстойлівая, таму што яе энергія будзе большай, чым энергія двух неўзбуджаных атамаў. 22.04.2019

Малекулярныя спектры Спектры выпраменьвання малекул больш складаныя, чым атамаў. Вялікая колькасць спектральных ліній прыводзіць да ўзнікнення шырокіх палос. Таму малекулярныя спектры называюцца паласатымі. 22.04.2019

Пры ўтварэнні малекулы ўзнікаюць новыя ступені свабоды: хістальныя і вярчальныя. У малекуле акрамя паступальнага руху электронаў, адбываюцца хістанні атамаў адносна цэнтра раўнавагі і вярчэнне самой малекулы як цэлага. Поўная энергія малекулы

Змяненне энергіі малекулярнай сістэмы звязана з выпраменьваннем ці паглынаннем кванта энергіі Пры гэтым змяненні энергіі пры адпаведных пераходах (электронных, хістальных і вярчальных) розныя і 22.04.2019

Энергетычная структура малекулы акрамя электронных узроўняў мае хістальныя і вярчальныя ўзроўні. У сувязі з чым колькасць пераходаў у малекуле большая, чым у атаме. Малекулярны спектр больш насычаны спектральнымі лініямі.

Схема энергетычных узроўняў двухатамнай малекулы: - вярчальныя ўзроўні (В), - хістальныя ўзроўні (Х), - электронныя ўзроўні (асноўны Wэл0 і ўзбуджаны Wэл1 ). V – хістальны квантавы лік. 22.04.2019

1. Калі Wвяр. < kT < Wхіс Пры гэтым адбываецца выпраменьванне ў далёкай інфрачырвонай вобласці.

Пры гэтым назіраецца выпраменьванне ў бліжняй інфрачырвонай вобласці. 2. Калі Wхіст.< kT < Wэл., то нараўне з вярчальнымі пераходамі (В) адбываюцца пераходы і паміж хістальнымі ўзроўнямі (Х). Пры гэтым назіраецца выпраменьванне ў бліжняй інфрачырвонай вобласці. 22.04.2019

3. Калі kT > Wэл. , то ўзнікаюць электронныя пераходы. У гэтым выпадку адбываецца выпраменьванне ў бачнай і ўльтрафіялетавай вобласцях спектра.

Камбінацыйнае рассейванне святла 1928 год – Г.С.Ладсберг і Л.І. Мандэльштам (рас.фіз.) – Раман і Крышнан (інд.фіз.) даследуюць малекулярнае выпраменьванне і адкрываюць з’яву камбінацыйнага рассейвання святла. Камбінацыйнае рассейванне – з’ява рассейвання святла малекулярнымі сістэмамі са змяненнем яго частаты. 22.04.2019

На спектраграме па абодва бакі ад асноўнай яркай лініі з частатой 0 з’яўляюцца парна-сіметрычныя слабыя лініі-спадарожнікі з частотамі (0 - і) – чырвоны спадарожнік і (0 + і) – фіялетавы спадарожнік Узнікненне спадарожнікаў - вынік няпругкага сутыкнення фатонаў з малекуламі.

Пры няпругкім сутыкненні фатона з малекулай закон захавання энергіі запішацца: а. пры сутыкненні з неўзбуджанай малекулай – h0 = hp + W. Узнікае чырвоны спадарожнік - hp < h0. б. пры сутыкненні з узбуджанай малекулай – h0 + W = hp. Узнікае фіялетавы спадарожнік - hp > h0. 22.04.2019

Велічыня і = W/h называецца камбінацыйным зрухам. Пры звычайных тэмпературах у спектры назіраюцца чырвоныя спадарожнікі, пры высокіх тэмпературах з’яўляюцца фіялетавыя спадарожнікі. Камбінацыйнае рассейванне святла выкарыстоўваецца для вызначэння ўласных частот малекул, выяўлення сіметрыі малекул, структурнага аналізу складаных малекул.

Люмінесцэнцыя Люмінесцэнцыя – уласнае свячэнне рэчыва пад уздзеяннем вонкавых фактараў (крыніц энергіі), акрамя награвання. Адрозніваюць: фота-, рэнтгена-, радыё-, катода-, электра- і хэмілюмінесцэнцыю. Энергетычны выхад люмінесцэнцыі – ступень пераўтварэння энергіі =W/W0. W – энергія люмінесцэнцыі, W0 – энергія, якая вызывае люмінесцэнцыю. 22.04.2019

Залежнасць энергетычнага выхаду люмінесцэнцыі  ад даўжыні хвалі выпраменьвання λ, якое вызывае люмінесцэнцыю ўстаноўлена С.І.Вавілавым.

Люмінесцэнтнае выпраменьванне падзяляюць на самастойнае і рэкамбінацыйнае. Самастойнае люмінесцэнтнае выпраменьванне затухае па экспаненцыяльнаму закону  - пастаянная велічыня, =1/ - працягласць жыцця часціцы ў ўзбуджаным стане. 22.04.2019

Інтэнсіўнасць рэкамбінацыйнага люмінесцэнтнага выпраменьвання змяняецца па гіпербалічнаму закону Пры гэтым праяўляецца залежнасць інтэнсіўнасці і ад тэмпературы.

Па працягласці выпраменьвання люмінесцэнцыю падзяляюць на флюарэсцэнцыю -   (10-9 – 10-3)с і фасфарасцэнцыю -  ад некалькіх секунд да гадзін. Пры флюарэсцэнцыі працэс ўзбуджэння малекулы адбываецца ў выніку рэальнага паглынання фатона малекулай. Энергія фатона, які паглынаецца малекулай, павінна быць роўнай адпаведнай рознасці энергетычных узроўняў. Пераход малекулы з узбуджанага стану ў нармальны суправаджаецца выпраменьваннем кванта флюарэсцэнцыі. 22.04.2019

Пры фасфарасцэнцыі электрон узбуджанага атама часта аддаляецца ад цэнтра свячэння (іона, атама ці комплекса атамаў). Пры вяртанні гэтага электрона ці іншага на ранейшае месца выпраменьваецца квант фасфарасцэнцыі. У сувязі з тым, што рухомасць электронаў у крышталях малая, працягласць ўзбуджанага стану можа быць дастаткова вялікай.

Працэс фоталюмінесцэнцыі тлумачыцца наступным чынам: малекула рэчыва паглынае фатон з энергіяй h0 і пераходзіць на адзін з хістальных ўзроўняў V1. 22.04.2019

Сутыкненні паміж малекуламі на гэтых узроўнях прыводзяць да безвыпраменьвальнага пераходу малекулы на ўзбуджаны электронны ўзровень Wэл1.

Квант флюарэсцэнцыі h выпраменьваецца пры пераходзе на хістальна-вярчальны ўзровень V0 асноўнага стану Wэл0.

 - 0=  - стоксаўскі зрух. Даўжыня хвалі (частата) выпраменьвання пры фоталюмінесцэнцыі вызначаецца правілам Стокса: даўжыня хвалі святла люмінесцэнцыі  большая даўжыні хвалі выпраменьвання 0, якое ўзбуджае люмінесцэнцыю ( > 0).  - 0=  - стоксаўскі зрух. 22.04.2019

Пры сутыкненні фатона з няўзбуджанай малекулай hc/0 = hc/ + Ем.  > 0 – назіраецца стоксаўскае выпраменьванне Пры сутыкненні фатона з узбуджанай малекулай hc/0 + Ем = hc/. У гэтым выпадку  < 0 - назіраецца антыстоксавае выпраменьванне.

Важнай асаблівасцю люмінесцэнцыі з’яўляецца магчымасць назіраць яе свячэнне пры вельмі малых канцэнтрацыях (~10-4кг/м3) і малой колькасці рэчыва (~10-13кг). Гэта асаблівасць дае магчымасць прымяніць з’яву люмінесцэнцыі для вызначэння хімічнага складу сумесі – для правядзення люмінесцэнтнага аналізу. Люмінесцэнтны аналіз выкарыстоўваюць для кантроля якасці хімічных рэактываў і вады, вызначэння якасці харчовых прадуктаў, выяўлення адрэаліну ў крыві чалавека. 22.04.2019

ляжыць у аснове працы ультрафіялетавага мікраскопа, Люмінесцэнцыя дапамагае фатаграфаваць нябачныя ўльтрафіялетавыя прамяні. З’ява люмінесцэнцыі ляжыць у аснове працы ультрафіялетавага мікраскопа, знайшла прымяненне ў каляровым кіно і тэлебачанні, пранікла ў тэатральны жывапіс, працуе ў люмінафорах, стынцыляцыйных лічыльніках і люмінесцэнтных лямпах. 22.04.2019

Спантаннае і вымушанае выпраменьванне Выпраменьваць энергію атам можа толькі ў тым выпадку, калі ён за кошт вонкавай энергіі становіцца ўзбуджаным – пераведзены з асноўнага стану ў адзін з узбуджаных (пераход 1). Пры пераходзе з узбуджанага стану ў стан з меньшай энергіяй (Еk < En) атам выпраменьвае энергію (пераход 2). 22.04.2019

Калі атам самаадвольна (спантанна) пераходзіць на ніжні стан – спантаннае выпраменьванне. Калі ж гэты пераход адбываецца пад уздзеяннем вонкавай крыніцы энергіі – індуцыраванае ці вымушанае выпраменьванне. 22.04.2019

Спантанныя пераходы з’яўляюцца незалежнымі і адбываюцца з рознай імавернасцю. Энергія пры гэтых пераходах выпраменьваецца ў розных накірунках, з выпадковымі фазамі. Таму такое выпраменьванне не адносіцца да ліку кагерэнтных.

Вымушанае выпраменьванне з’яўляецца рэзанансным і кагерэнтным, супадае па фазе, частаце, накірунку і арыентацыі плоскасці палярызацыі з выпраменьваннем, якое яго вызывае.

Пасля ўзбуджэння атам не імгненна выпраменьвае энергію, а некаторы час (час жыцця) затрымліваецца ва ўзбуджаным стане. Колькасць узбуджаных атамаў з часам памяншаецца па экспаненцыяльнаму закону 22.04.2019

 - пастаянная велічыня,  = 1/ - час жыцця атама ў узбуджаным стане. Гэта час, за які колькасць атамаў у ўзбуджаным стане памяншаецца ў е разоў. У большасці выпадкаў час жыцця ўзбуджанага стану   10-8 с. Калі   10-3с – узровень называецца метастабільным.

можа назірацца два працэса: У тым выпадку, калі частата вонкавага выпраменьвання, якое ўздзейнічае на атамную сістэму, 0 = (Еn – Ek)/h можа назірацца два працэса: пераход з Ek на En, які адпавядае паглынанню, і пераход з Еn на Ek, які адпавядае выпраменьванню. 22.04.2019

Статыстыка Максвэла-Больцмана паказвае, што пры нармальных тэрмадынамічных умовах колькасць атамаў на верхніх узроўнях меншая, чым на ніжніх Пераходы з Еk на Еn будуць перабольшваць над пераходамі з Еn на Еk і ў атамнай сістэме будзе назірацца паглынанне. 22.04.2019

Каб атамная сістэма выпраменьвала энергію трэба правесці інверсную заселенасць энергетычнага ўзроўня, пры якой Nn > Nk. У гэтым выпадку Рознасць En – Ek > 0, то каб Nn > Nk тэмпература атамнай сістэмы павінна быць адмоўнай Т < 0. 22.04.2019

З закону паглынання вынікае, што I > I0, калі каэфіцыент паглынання  гэтай атамнай сістэмы будзе адмоўным.

Квантавыя генератары Прыборы, прынцып дзеяння якіх заснаваны на эфекце ўзмацнення інтэнсіўнасці выпраменьвання, называюцца квантавымі ўзмацняльнікамі ці квантавымі генератарамі. У 1953г. руск.фіз. Н.Г.Басаў і А.М.Прохараў і незалежна ад іх амер.фіз. Ч.Таунс ствараюць першыя малекулярныя генератары, якія працавалі ў дыапазоне сантыметровых хваль, – мазеры. У 1960г. амер.фіз. Т.Мейман стварае першы аналагічны прыбор, які працуе ў аптычным дыапазоне, - лазер. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – узмацненне святла з дапамогай вымушанага выпраменьвання. 22.04.2019

Рабочым целам лазера з’яўляецца актыўнае асяроддзе з адмоўным паглынаннем святла і інверснай заселенасцю энергетычных узроўняў Працэс перавода актыўнага асяроддзя лазера ў інверсны стан называецца накачкай рабочага цела. 22.04.2019

Адным з першых генератаў святла (генератар Меймана) быў рубінавы лазер. Рабочым целам гэтага лазера з’яўляўся крышталь рубіну (аксід алюмінію Al2O3), у якім 0,05% атамаў Al замянялася атамамі трохвалентнага хрому Cr3+. Лазер працаваў па трохузроўневай схеме. W13 – працэс накачкі рабочага цела, перавод атамаў Cr у ўзбуджаны стан 3.

А31 і А32 - спантанныя пераходы. А31 і А32 - спантанныя пераходы. У выніку таго, што імавернасць пераходу А32>А31, то большая частка атамаў будзе пераходзіць на метастабільны ўзровень 2 (τ~10-3с). Спантанны пераход А21 можа вызваць вымушаныя пераходы W21 у выніку якіх утвараецца каскад фатонаў. 22.04.2019

Пры шматразовым праходжанні гэтых фатонаў праз рабочае асяроддзе (прынцып дадатнай адваротнай сувязі) іх колькасць павялічваецца, адбываецца ўзмацненне інтэнсіўнасці выпраменьвання. Для стварэння дадатнай адваротнай сувязі ў лазерах выкарыстоўваюцца аптычныя рэзанатары, якія ўяўляюць сабой сістэму паўпразрыстых люстэркаў рознай формы. 22.04.2019

Па рэжыму працы – непарыўнага дзеяння і імпульсныя. Па характару рабочага цела лазеры падзяляюцца на цвёрдацелыя, вадкасныя, газавыя і паўправадніковыя. Па рэжыму працы – непарыўнага дзеяння і імпульсныя. Уласцівасці лазернага выпраменьвання : монахраматычнасць, высокая кагерэнтнасць, малая разыходнасць пучка, вялікая інтэнсіўнасць. Недахоп – малы ККД ( ~ 0,1%). 22.04.2019

Вобласці прымянення: навуковыя даследаванні, прамысловасць, сувязь, медыцына, апрацоўка і захаванне інфармацыі, лазерны тэрмаядзерны сінтэз, кантроль за пасадкай самалётаў, метралогія, прыборабудаванне, ваенная справа і г.д. Рэспубліка Беларусь – Інстытут фізікі НАН РБ – Б.І.Сцяпанаў, М.А.Барысевіч, П.А.Апанасевіч, А.П.Іваноў, А.С.Рубанаў і інш.

Лазер гелій-неонавы

Лазер