Реферат по предмету "Химия"


Полярные диаграммы и энергетические уровни волновых функций жесткого ротатора

Полярные диаграммы и энергетические уровни волновых функций жесткогоротатора. Энергетические уровни жесткогоротатора и его спектр
Поскольку квадрат момента импульса вжестком ротато­ре однозначно связан с энергией (4.47), формула (4.101)позволяет легко рассчитать его уровни и спектральные термы (Т),  т.е.уровни, вы­раженные в единицах измерения волнового числа (см–1 ), являющегосяхарактеристикой излучения
/>                                                 (4.105)
/>.                             (4.105)
                   />                                                                    (4.107)    
Величина В, определяемая (4.107), называетсявращательной постоянной ротатора.
4.3.7.2. Обозначим величину /> и составимтаблицу 4.5 воз­можных значений энергии жесткого ротатора, а на рис. 4.5.предста­вим его энергетическую диаграмму.
4.3.7.3. Подобно плоскому ротатору,энергетическая диаграмма жесткого ротатора демонстрирует расходящуюся системууровней, одна­ко значительно возрастает кратность вырождения. Расстояния междусоседними уровнями увеличиваются с ростом квантового числа l, причем они линейносвязаны с квантовым числом нижнего уровня l:
/>. (4.108)
Таблица 4.5.
Уровни жесткого ротатораl Символ уровня
Энергия
Е, />
Вырождение
g=2l+1 S 1 1 P 2 3 2 D 6 5 3 F 12 7 4 G 20 9
Рис. 4.5. Энергетическая диаграммажесткого ротатора.
Для жесткого ротатора, например,двухатомной молекулы,  разрешены спектральные переходы между соседними уровнями/>. Поэтому,согласно уравнению 4.108, ее спектр пред­ставляет собой набор линий, отстоящихдруг от друга на примерно одинаковую величину, равную  />   в энергетической шкале, или  2В в шкале волновых чисел />.
Поскольку вращательная постояннаясвязана с моментом инерции, изучение вращательных спектров молекул даётвозможность эксперимен­тального определения момента инерции молекул и,следовательно, меж­атомных расстояний.
4.3.3. Волновые функции жёсткогоротатора
4.3.8.1. Использование операторовсдвигов состояний позволяет также максимально просто найти собственные функцийоператоров   /> и /> без каких-либо специальныхсведений о дифференциаль­ных уравнениях. Авторы сознательно построили настоящийраздел в расчёте на внимательного читателя-химика, владеющего лишь мини­мальными,но достаточно прочными навыками в области тригонометрии и математическогоанализа.
4.3.8.2. Прежде всего, выпишемоператоры повышения и понижения в сферических координатах, используя формулы(4.53)  и (4.54):
/>
/>                                         (4.109)
В силу того, что собственные функции,получающиеся в результате действия операторов сдвига, подлежат нормировке, какэто уже об­суждалось в разделе 4.3.5.10., мы имеем все основания определить этиоператоры с точностью до постоянного множителя, т.е. вместо (4.109) ограничимсявыражением
/>                                              (4.110)
4.3.8.3. Исходные уравнения длявывода всей цепочки волновых функций – уравнения аннигиляции
/>                 (4.111)
На основании формул (4.50) и (3.28) функциюмож­но /> представитьв виде
/>                                                      (4.112)
С учётом этого уравнение (4.111)   всферических координатах: запишется в форме
/>.                          (4.113)
Совершим очень несложныепреобразования, приводя к дифференциальному уравнению для функции/>:
/>
 откуда следует />              (4.114)
4.3.8.4. Разделяя переменные, получаем
/>                                                 (4.115)
Учтём что  />,
/>                                                (4.116)
Интегрирование уравнения (4.116) даёт
/>                       (4.117)
где/>– постоянная интегрирования,определяемая из условия нормировки. Окончательно получаем формулу для функции
/>                                                      (4.118)
4.3.8.5.Формула (4.118) дает лишьпредельные выражения волно­вых функций />, отвечающие максимальному иминимальному  значе­ниям квантового числа m, а именно /> и />, или что то же самое />. Все волновыефункции, соответствующие промежуточным значениям /> очень просто получаютсяпоследовательным действием операторов /> с точностью до нормировочныхмножителей, которые могут быть рассчитаны в каждом конкретном случае
4.3.8.6.Отметим, что мы не ставимперед собой и перед читате­лем задачу вывода общей формулы сферических волновыхфункций. Это связано, с одной стороны, с тем, что она обязательно покажется сли­шкомперегруженной индексами и коэффициентами, к которым удобнее привыкатьпостепенно. С другой стороны, для практических целей ред­ко требуются функции сбольшими значениями квантового числа  l. В химическом обиходе встречаетсясостояния с l = 0, 1, 2, 3, по­этому ограничимся этими значениями, (их символысм. в табл. 4.5 ).
4.3.8.7. Итак, нас будутинтересовать   s–, p–, d–, f– орбитали жесткого ротатора. Запишем соответствующиеисходные функции /> и />,    с точностью до постоянногомножителя:
для  s-состояния    />  и />
для  p- состояния    />    и />
для  d- состояния  />    и />
для  f- состояния  />     и />
4.3.8.8.       Орбиталь s –типа –лишь одна и волновая пункция /> тре­бует только нормировки.Поскольку сомножитель  />уже нормирован, достаточнопронормировать функцию />. Выделяя из эле­ментаконфигурационного пространства /> (см. рис 4.3) все со­множители,определенные на переменной />, получаем
/>
и, соответственно, нормировочноесоотношение имеет вид
/>   (4.119)
Во всех дальнейших преобразованияхследующих двух разделов будем опускать постоянные численные коэффициенты передволновыми функциями, получающимися в результате операций сдвигов состояний надисходными функциями  /> – степенями синусоиды />.
4.3.8.9. Квантовое число l=1порождает три р-функции с m=1, 0, -1 т.е. орбитали с />Двум из них с />отвечает /> Нормировочныймножитель  находим из соотношения
/>.
Откуда следует:                     />              (4.120)
Функцию   />, необходимую для полного наборар-орбиталей, можно найти, сдвигая  />   вниз или />   вверх на односостояние
/>
Определим нормировочный множитель  />  для />
/>
Интегрируя с помощью подстановки /> и, следовательнополагая, />получаем
/>, т.е. />
4.3.8.10. Далее получимпоследовательно d-орбитали, отвечающие  набору />. Соответственно
/>/>                                                        (4.121)
/>
/>                                                    (4.121)
/>
/>                                 (4.122)
Отсюда получаются d-функции
/>;/>/>.
Величины   />;/>;/>представлены в таблице 4.6.
4.3.8.11. Аналогично получается весьнабор f-функций
/>
/>
/>
/>                               (4.123)
Все найденные s-, р-, d- и f-орбиталисведём в таблицу 4.6.

Таблица 4.6.
Сферические волновые функции/>Уровень l m
/>
/>
/>
/> Символ Y s 1 1
/>
/>
/> p 1
/>
/>
/>
/> – “ –
/>
/> 1
/> – “ –
/> d 2
/>
/>
/>
/> – “ –
/>
/>
/>
/>
/> – “ –
/>
/> 1
/> – “ –
/> f 3
/>
/>
/>
/> – “ –
/>
/>
/>
/>
/> – “ –
/>
/>
/>
/>
/> – “ –
/>
/> 1
/> – “ –
/>
Полярные диаграммы волновых функцийжесткого ротатора.
4.3.9.1 В разделе 3.2.7. былирассмотрены полярные диаграммы  волновых функций плоского ротатора. Они же –графические образа фун­кции сомножителя /> Теперь проанализируем полярныедиаграммы функции /> для чего будем откладывать нарадиус-векторе, исходящем из центра под углом /> к оси z, значения функции /> (рис.4.6.).
4.3.9.2. В таблице 4.6 суммированыорбитали жесткого ротатора /> с комплексными сомножителями /> которыеявляются собственными функциями операторов полной энергии, квадрата моментаимпульса и его проекции на ось z. Однако, графический об­раз комплексныхфункций недоступен. На рис. 4.7. представлены полярные диаграммы действительныхфункций />,получаемых как линейные комбинации /> аналогично построенным в разделе3.2.6 функциям плоского ротатора. При этом, для состояний, описываемых такимидействительными функциями /> утрачивается определенность взначении проекции момента импульса />, но сохраняется постоянноезначение энергии и модуля момента импульса. Как видно на рис. 4.6 и 4.7, числоузловых плоскостей на полярных диаграммах равно квантовому числу l. Анализ знаковволновых функций указывает, что орбитали s- и d- являются четными, а p- и f-нечётными по отношению к операции инверсии.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.