2. Превращение энергии при поглощении и причина появления полосы поглощения в спектре.

Характер взаимодействия вещества с электромагнитным излучением определяется как энергией падающих на вещество квантов, так а структурой и состоянием самого вещества. Большой и малый квант по-разному действуют на молекулу (различный вид у спектров). Спектр поглощения заметно меняется и при переходе от твердого состояния вещества к жидкому, и от жидкого к газообразному.

Полная энергия молекулы (без учёта внутриядерной) складывается в первом приближении из энергии электронов E_el, энергии колебания ядер E_ν , энергии вращения молекула кaк целого Е_r, и энергии ее поступательного движения E_t:

E=E_el+Eν+E_r+E_t (3)

Первые три вида движения подчиняются квантовым законам, а E_t может меняться непрерывно.

При переходе молекулы из одного состояния в другое могут изменяться все составляющие энергии, и в общем случае энергия поглощенного кванта (без учета изменения энергии поступательного движения):

hν=E`-E`` =(E`_el –E``<sub>el</sub>)+(E`<sub>ν</sub> - E``_ν)+(E`_r – E``_r) (4)

Взаимное расположение электронных, колебательных и вращательных квантовых уровней и переходы между ними определяют вид и структуру молекулярного спектра.

Сопоставим вклады различных видов движения в общую энергию молекулы.

1) Каждый вид молекулярного движения в первом приближении можно рассматривать независимо друг от друга, хотя в молекуле все эти виды движения взаимосвязаны и совершаются одновременно. Электронная энергия значительно больше колебательной, а последняя, в свою очередь, примерно на порядок превосходит вращательную энергию молекул:

E_el>>E _ν>>E_r

2) Это показывает, что для возбуждения того или иного вида молекулярного движения требуется существенно различная энергия: меньше всего для возбуждения вращательного движения, заметно больше для возбуждения колебательного несоизмеримо больше энергии необходимо затратить на возбуждение электронов, т.е.

ΔE_el>>ΔE _ν>>ΔE_r

Например, для 1 моль водорода в кДж/моль при 291 К

Электронная энергия 3095

Колебательная энергия 25,9

Вращательная энергия 2,5

Поступательная энергия 3.8

Если сопоставить энергию различных видов движения для H₂ с энергиями квантов в ИК-областях спектра, легко заметить, что в ближней и средней ИК-областях она имеет тот же порядок, что и E _ν, а в дальней ИК-области – соответствует E_r:

Дальняя ИК - 0,12-2,4 кДж/моль⁵ (причина поглощения – вращение молекул)

Средняя ИК – 2,4-60 кДж/моль⁵ (причина поглощения – колебания ядер и атомов)

Ближняя ИК – 60-155 кДж/моль⁵ (причина поглощения – колебания ядер и атомов)

Хотя численные значения различных составляющих энергии для других молекул будут иными, чем для водорода, подобное сопоставление чаще всего приводит к аналогичным результатам.

Таким образом, ответ на вопрос о том, в какую форму движения преобразуется поглощаемая молекулой энергия, зависит от величины падающего на нее кванта, поскольку каждая область спектра связана с возбуждением определенного вида молекулярного движения.