спектроскопия атомов и молекул -

Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Подавалова О.П., Лямкина Н.Э., Втюрин А.Н., Парамонов Л.Е., Тимофеев В.П..
СПЕКТРОСКОПИЯ
АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
Методические указания по самостоятельной работе
Красноярск
2007
2
1. Цели и задачи изучения дисциплины
1.1. Цель преподавания дисциплины
Дисциплина "Спектроскопия атомов и молекул" представляет собой
одну из важных дисциплин специализации при подготовке бакалавров по
направлению 140400.62 «Техническая физика».
Изучение дисциплины базируется на материалах предшествующих естественно - научных дисциплин.
Спектроскопия – это наука о спектрах квантовых систем, изучающая
строение и структуру вещества путем получения и анализа его спектров.
Целью преподавания дисциплины является получение студентами
фундаментальных знаний по основам спектроскопии, которые представлены
ее важнейшими разделами – атомной спектроскопией (спектроскопия атомов) и молекулярной спектроскопией (спектроскопия молекул), а также
формирование у студентов навыков регистрации и обработки спектров. Кроме того, при освоении дисциплины студенты знакомятся с вопросами технического оснащения спектроскопии.
Изучение дисциплины «Спектроскопия атомов и молекул» облегчает
усвоение таких дисциплин магистерской программы 140400.68.10 «Оптическая физика и квантовая электроника» как «Радиоспектроскопия», «Оптическая спектроскопия», «Оптические методы и устройства в биологии и медицине», «Применение лазеров».
1.2. Задачи изучения дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен приобрести знания,
умения и навыки, необходимые для его профессиональной деятельности в
качестве бакалавра по направлению 140400.62 «Техническая физика».
Освоение дисциплины способствует формированию следующих общепрофессиональных компетенций (ОПК):
• умение планировать и организовывать эксперимент,
• умение профессионально оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы;
инструментальных компетенций (ИК):
• умение выбирать методы и средства измерений в соответствии со
стандартами (техническими регламентами) и анализировать полученные результаты,
• умение пользоваться приборами и оборудованием;
специальных профессиональных компетенций (СПК):
• умение выявлять объекты для улучшения в технике и технологии.
Специалист должен:
Знать: основные характеристики уровней энергии и вероятности переходов, причины уширения спектральных линий; типы и систему атомных и
молекулярных спектров, их характеристики и особенности; правила отбора,
3
зависимости между различными па- раметрами; устройство и принцип
действия дифракционных и призменных спектральных приборов, основные
характеристики спектральных приборов.
Уметь: пользоваться обширным справочным материалом по спектроскопии атомов и молекул для нахождения нужных атомных и молекулярных
констант, таких как силы осцилляторов, вероятности переходов, времена
жизни, дипольные моменты др; выбирать метод спектрального исследования,
регистрировать и анализировать спектры.
2. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Всего
зачетных
единиц
(часов)
Семестр
5
5 (180)
5 (180)
2,36 (85)
2,36 (85)
лекции
1,42 (51)
1,42 (51)
практические занятия (ПЗ)
0,47 (17)
0,47 (17)
0,47 (17)
0,47 (17)
2,64 (95)
2,64 (95)
1 (36)
1 (36)
0,75 (27)
0,75 (27)
0,89 (32)
0,89 (32)
экзамен
экзамен
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия:
семинарские занятия (СЗ)
лабораторные работы (ЛР)
другие виды аудиторных занятий
промежуточный контроль
Самостоятельная работа:
изучение теоретического курса (ТО)
курсовой проект (работа):
расчетно-графические задания (РГЗ)
реферат
задачи
задания
другие виды самостоятельной работы
(подготовка к выполнению и защите лабораторных работ)
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
4
3. Содержание дисциплины
3.1. Разделы дисциплины и виды занятий в часах
(тематический план занятий)
№
п/п
Раздел дисциплины
Раздел 1. Общие положения спектроскопии и
1. ее разделы
Раздел 2. Общие вопро2. сы спектроскопии
Раздел 3. Атомная спек3. троскопия
Раздел 4. Молекулярная
4. спектроскопия
Раздел 5. Спектральные
5. приборы и техника оптической спектроскопии
Лекции
зачетные
единицы
(часы)
0,06 (2)
ПЗ
ЛР
зачетные зачетные
единицы единицы
(часы)
(часы)
-
-
СамостояФормительная работа зачет- руемые
компетенные
ции
единицы
(
)
ОПК
0,06 (2)
ОПК
0,39 (14)
0,22 (8)
-
0,61 (22)
ОПК,
0,5 (18)
0,17 (6)
-
0,61 (22)
СПК
ОПК,
0,47 (17)
0,08 (3)
-
0,47 (17)
СПК
СПК,
-
-
0,47 (17)
0,89 (32)
ИК
3.2. Содержание разделов и тем лекционного курса
Дисциплина «Спектроскопия атомов и молекул» ведется двумя модулями.
МОДУЛЬ 1. «ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СПЕКТРОСКОПИИ»
РАЗДЕЛ I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ СПЕКТРОСКОПИИ И
ЕЕ РАЗДЕЛЫ
Тема 1.1 Вводная часть – 4 часа (0,12 з.е.) [2 часа - лекции, 2 часа самостоятельная работа]
Основные этапы развития спектроскопии. Историческая справка. Деление спектроскопии по свойствам излучения Cпектры поглощения, испускания
и рассеяния. Единицы измерения в спектроскопии. Измерямые величины в
спектроскопии
Вопросы и задания для самопроверки к материалу раздела I
1. Каковы основные периоды развития спектроскопии ?
2. Каковы основные вехи развития спектроскопии ?
3.
4.
5.
6.
7.
5
Когда и кем были установлены
закономерности в расположении
линий в атомных спектрах ?
Сформулируйте принцип соответствия Бора
Перечислите спектральные области, на которые условно делится
спектроскопия по свойствам излучения
Назовите параметры исследуемого излучения, измеряемые в спектроскопии
Какие единицы систем СИ и СГС, а также внесистемные единицы измерений используются в спектроскопии ?
Литература к разделу 1
1. Подавалова О.П., Лямкина Н.Э. «Спектроскопия атомов и молекул». Учебное пособие (электронный вариант)
2. М.А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия: Общие вопросы
спектроскопии - М;КОМКНИГА,2006 г
3. И.И. Кондиленко, П.А. Коротков. Введение в атомную спектроскопию.Киев; «Вiща школа», 1976 г.
РАЗДЕЛ 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СПЕКТРОСКОПИИ
Тема 2.1. Основные характеристики уровней энергии - 9 часов(0,25з.е.)
[2 часа - лекции, 2 часа - практика , 5 часов -самостоятельно]
Спектральные термы. Комбинационный принцип Ритца. Основные
квантовые законы. Теория атома водорода по Бору. Cпектральные серии и
уровни атома водорода. Вырожденные и невырожденные уровни энергии.
Значения физических величин в стационарных состояниях.
•
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 2.1 раздела II
Сформулируйте постулаты теории Бора
Что называют спектральным термом?
Какие спектральные серии наблюдаются в спектре атома водорода и водородоподобных ионов?
Какие уровни энергии называются вырожденными? Что такое кратность
вырождения?
В чем причина расхождения между теоретически вычисленным и экспериментальным значением постоянной Ридберга?
В каких случаях происходит снятие вырождения уровней энергии?
Какие физические величины, соответствующие состоянию атомной
системы могут иметь определенные значения в этом состоянии?
Тема 2.2. Вероятности переходов – 8 часов (0,22з.е.) [2 часа - лекции, 2 часа - практика , 4 часа - самостоятельно]
6
Спонтанные и вынужденные переходы. Время жизни возбужденных состояний. Дипольное излучение. Сила осциллятора.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 2.2 раздела II
1. Что называют населенностью энергетического уровня?
2. Какие переходы называют спонтанными?
3. Какие переходы называют вынужденными с излучением?
4. Какие переходы называют вынужденными с поглощением?
5. Каков физический смысл коэффициентов Энштейна для спонтанного
испускания, вынужденного излучения, поглощения?
6. Каким образом в состоянии термодинамического равновесия атомы
распределены по энергетическим уровням?
7. Какова связь между коэффициентами Энштейна?
8. Каков физический смысл понятия сила осциллятора?
9. От чего зависит время жизни возбужденного состояния?
10. Какие переходы называют безызлучательными? Как изменяется время
жизни уровня при наличии безызлучательных переходов?
11. Что называют квантовым выходом испускания?
12. Что такое дипольный момент перехода?
13. Чем обусловлено электрическое дипольное излучение?
Тема 2.3. Ширина спектральных линий – 7 часов (0,19з.е.) [2 часа лекции, 1 час - практика , 4 часа -самостоятельно]
Естественная ширина уровней энергии и спектральных линий. Уширение спектральных линий, обусловленное тепловым движением и взаимодействием частиц
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 2.3 раздела II
1. Чем обусловлена естественная ширина спектральной линии?
2. Какой функцией описывается контур спектральной линии при естественном уширении?
3. Чему равна полуширина линии при естественном уширении ?
4. Дайте определение однородного и неоднородного уширения
5. Каково уширение линий, обусловленное эффектом Доплера?
6. Каковы положения ударной теории уширения линий?
7. Каковы положения статистической теории уширения линий?
8. Какой функцией описывается контур спектральной линии при однородном уширении?
9. Какой функцией описывается контур спектральной линии при неоднородном уширении?
10. Что называют формфактором спектральной линии ?
7
Тема 2.4.
Интенсивность спек- тральных линий – 10 часов (0,28з.е.)
[4 часа- лекции, 2 часа - практика , 4 часа - самостоятельно]
Мощность испускания, поглощения и населенностей уровней. Основные законы равновесного излучения. Коэффициенты поглощения. Неравновесные спектры испускании.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 2.4 раздела II
1. Как связаны мощность испускания и поглощения и населенности уровней?
2. Что такое инверсная населенность ?
3. Что называют абсолютно черным телом?
4. Сформулируйте закон Стефана-Больцмана
5, Сформулируйте закон смещения Вина
6. Каким выражением описывается спектральная плотность равновесного излучения абсолютно черного тела?
7. Сформулируйте закон Кирхгофа
8. Что называют поглощательной способностью и как она связана с коэффициентами Энштейна?
9. Сформулируйте закон Бугера
10. Что называют пробегом излучения?
11. Какие процессы излучения являются стационарными? Нестационарными?
12. Приведите систематизацию спектров равновесного и неравновесного
излучения
Тема 2.5. Элементы квантовой механики – 10 часов (0,28з.е.)
[4 часа - лекции, 1 час - практика, 5 часов - самостоятельно]
Квантование моментов количества движения и их проекций. Сложение
моментов количества движения. Магнитные моменты и их связь с механическими моментами. Общая векторная модель атомов. Гипотеза де Бройля.
Волновые свойства частиц. Соотношение неопределённости Гейзенберга.
Волновая функция. Волновое уравнение. Уравнение Шредингера.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 2.5 раздела II
1. При каких условиях момент количества движения квантовой частицы
сохраняется?
2. Каковы законы квантования момента количества движения и его проекции на выделенное направление?
3. Какова связь между механическим и магнитным моментами?
4. Что представляет собой векторная модель атома?
5. Что называют спином электрона и каковы правила его квантования?
8
6. Каковы правила сложения мо- ментов количества движения?
7. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
8. Каков физический смысл соотношения неопределённостей Гейзенберга?
9. Каков физический смысл волновой функции?
10. Что описывает уравнение Шредингера?
Литература к разделу 2
1. Подавалова О.П., Лямкина Н.Э. «Спектроскопия атомов и молекул». Учебное пособие (электронный вариант)
2. М.А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия: Общие вопросы
спектроскопии - М;КОМКНИГА,2006 г
3. И.И. Кондиленко, П.А. Коротков. Введение в атомную спектроскопию.Киев; «Вiща школа», 1976 г.
4. И.Е.Савельев. Курс обшей физики. т.3. – М.: Высшая школа, 1999 г.
6. Уширение спектральных линий. Учебное пособие./ Сост. Тимофеев В.П..
Красноярск : КГТУ- 1998.
8. Э.В. Шпольский. Атомная физика. Т 1. – М: Наука, 1974 г.
9. Э.В. Шпольский. Атомная физика. Т 2. – М: Наука, 1974 г.
МОДУЛЬ 2. «АТОМНАЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ»
РАЗДЕЛ 3. АТОМНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Тема 3.1. Спектры атома водорода и водородоподобных ионов
10 часов (0,28з.е.)
[4 часа - лекции,
2 часа - практика,
4 часа
самостоятельно]
-
Квантовая теория атома водорода. Движение электрона в кулоновском
поле ядра. Зависимость спектров одноэлектронных атомов от заряда и массы
ядра. Характеристика стационарных состояний одноэлектронного атома. Правило отбора и вероятности переходов для одноэлектронных атомов. Тонкая
структура уровня энергии спектральных линий.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 3.1 раздела 3
1. Каковы основные положения квантовой теории атома водорода?
2. Каково стационарное уравнение Шредингера для одноэлектронного
атома?
3. Какой вид имеют решения уравнения Шредингера для частицы в центрально-симметричном поле ядра?
4. Каковы главные квантовые числа, описывающие состояние одноэлектронного атома?
5.Каковы правила квантования главных квантовых чисел?
9
6. Каковы характеристики ста- ционарных состояний одноэлектронного атома?
7. Какой вид имеют функции распределения электронной плотности для
различных состояний атома водорода?
8. Опишите векторную модель одноэлектронного атома и правила сложения орбитального и спинового моментов
9. Символическая запись терма атома
10. Сформулируйте правила отбора для одноэлектронного атома в дипольном приближении и для сложных атомов
11. Чем обусловлена тонкая структура уровней энергии и спектральных
линий атома водорода?
Тема 3.2.
Основы общей систематики сложных
6 часов (0,17з.е.) [2 часа - лекции, 4 часа -самостоятельно]
спектров
–
Сложение орбитальных и спиновых моментов и типы связей. Общая
характеристика нормальной связи. Мультиплетность. Мультиплетное расщепление. Правило отбора. Термы эквивалентных и неэквивалентных электронов.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 3.2 раздела 3
1. Дайте определение нормальной или (LS ) - связи электронов в атоме
2. Дайте определение ( jj ) -связи электронов в атоме
3. Что представляет собой векторная модель сложения моментов в случае
(LS ) - связи и ( jj ) -связи?
4. Что называют мультиплетным термом?
5. Сформулируйте первое правило Хунда
6. Сформулируйте второе правило Хунда
7. Какова физическая причина мультиплетного расщепления?
8. Сформулируйте правило интервалов Ланде
9. Как найти набора возможных термов для конфигураций, состоящих из
неэквивалентных и эквивалентных электронов?
10. Сформулируйте правила отбора
11. По какой схеме рассчитываются термы смешанных конфигураций?
Тема 3.3. Одноэлектронные спектры атомов с одним внешним
s -электроном – 10 часов (0,28з.е.) [4 часа - лекции, 2 часа - практика ,
4 часа -самостоятельно]
Основной уровень атомов щелочных металлов. Возбужденные уровни и
спектральные серии атомов щелочных металлов Дублетная структура уровней атомов щелочных металлов.
10
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы
3.3 раздела 3
1. В чем физический смысл концепции эффективного поля?
2. Какова структура волновой функции электрона в одноэлектронном
атоме с одним внешним s –электроном?
3. В чем физический смысл поправки Ридберга ∆l (или квантового дефекта)?
4. Опишите четыре основные серии в спектрах одноэлектронного атома
с одним внешним s –электроном?
5. В чем причина дублетной структуры атомов щелочных металлов?
6. От чего зависит величина дублетного расщепления?
Тема 3.4. Спектры атомов с двумя внешними s -электронами –
8 часов (0,22з.е.) [2 часа - лекции, 2 часа - практика, 4 часа - самостоятельно]
Общая характеристика спектров атомов с двумя внешними электронами
(щелочноземельные элементы). Спектр атома гелия. Спектр атома ртути.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 3.4 раздела 3
1. Опишите три характерные группы характерные группы, на которые
можно разбить элементы с двумя внешними s-электронами
2.Опишите систему возбужденных уровей и спектральные серии атомов
ортогелия и парагелия
3. Опишите систему возбужденных уровней и спектральные серии атомов ртути
4. Опишите систему возбужденных уровней и спектральные серии атомов щелочноземельных элементов
11. По какой схеме рассчитываются термы смешанных конфигураций?
Тема 3.5. Электронные оболочки атомов и периодическая система элементов – 7 часов (0,19з.е.) [4 часа- лекции, 3 часа - самостоятельно]
Квантовые числа электронов в сложном атоме и принцип Паули. Структура электронных слоёв атомов. Свойства элементов с заполненными и незаполненными оболочками. Типы спектров различных элементов.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 3.5 раздела 3
1. Сформулируйте принцип запрета Паули
2. Каковы рамки применимости одночастичного (или одноэлектронного)
приближения?
3. Каков физический смысл функции экранирования?
4. Какие электроны называют эквивалентными?
5.
6.
7.
8.
11
Каков порядок заполнения
слоев и оболочек атомов?
Каковы свойства элементов с заполненными оболочками?
Каковы свойства элементов с незаполненными оболочками?
Дайте определение одноэлектронным и двухэлектронным спектрам
Тема 3.6. Влияние внешнего магнитного поля на атомные термы. Эффект Зеемана - 5 часов (0,14з.е.) [2 часа - лекции, 3 часа - самостоятельно]
Расщепление уровней энергии в магнитном поле. Общая картина зеемановского расщепления спектральных линий. Простой и сложный эффект Зеемана.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 3.6 раздела 3
1. Какова схема сложения магнитных моментов в рамках векторной модели?
2. Опишите простой эффект Зеемана
3. Опишите сложный эффект Зеемана
4. Чем определяется величина зеемановского расщепления уровней?
Литература к разделу 3
1. Подавалова О.П., Лямкина Н.Э. «Спектроскопия атомов и молекул». Учебное пособие (электронный вариант)
2. М.А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия: Общие вопросы
спектроскопии - М;КОМКНИГА,2006 г
3. И.И. Кондиленко, П.А. Коротков. Введение в атомную спектроскопию.Киев; «Вiща школа», 1976 г.
4 Э.В. Шпольский. Атомная физика. Т 1. – М: Наука, 1974 г.
5.Э.В. Шпольский. Атомная физика. Т 2. – М: Наука, 1974 г.
6.. Э.А. Нерсесов. Основные законы атомной и ядерной физики. – М: Высшая
школа, 1988 г.
7. 8. С.Э. Фриш. Оптические спе5ктры атомов. _ М.: Наука, 1963 г.
РАЗДЕЛ 4. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Тема 4.1. Виды движения в молекуле и типы молекулярных спектров
- 8 часов (0,22з.е.) [4 часа - лекции, 4 часа -самостоятельно]
Разделение энергии молекулы на части и основные типы спектров. Порядок величин электронной, колебательной и вращательной энергий. Зависимость электронной энергии молекулы от расстояний между ядрами.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 4.1 раздела 4
1. Дайте оценку порядку величины электронной, колебательной и вращательной энергий
12
2. Каков вид электронного спектра молекулы?
3. Как зависит электронная энергия молекулы от расстояния между ядрами?
4. Каков вид связи между атомами в гетероядерных молекулах?
5. Каков вид связи между атомами в гомоядерных молекулах?
Тема 4.2. Вращение молекул и вращательные спектры линейных молекул - 8 часов (0,22з.е.) [4 часа - лекции, 4 часа - самостоятельно]
Общая характеристика вращения молекул. Вращательные уровни и
вращательные переходы в случае линейных молекул. Вращательные спектры
линейных молекул.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 4.2 раздела 4
1. Что представляет собой гантельная модель вращающейся двухатомной
молекулы?
2. Каковы правила отбора и разрешенные вращательные уровни двухатомной молекулы?
Тема 4.3. Колебания двухатомных молекул – 9часов (0,25з.е.) [4 часа лекции, 5 часа - самостоятельно]
Колебания двухатомных молекул как частный случай колебаний любых
молекул. Гармонические колебания двухатомной молекулы. Квантовомеханическая характеристика гармонического осциллятора. Ангармоничность колебаний и схождение колебательных уровней к границе диссоциации. Колебательно-вращательные
спектры двухатомной молекулы. Вращательная
структура колебательно-вращательных полос
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 4.3 раздела 4
3. Опишите модель гармонического осциллятора
4. Какой вид имеют волновые функции гармонического осциллятора и
распределение вероятностей?
5. В чем причина ангармоничности колебаний?
6. Каково выражение для энергии осциллятора с учетом ангармоничности?
5. Каковы правила отбора для колебательно-вращательных уровней ?
Тема 4.4. Электронные
спектры
двухатомных
молекул
–
12 часов (0,33з.е.) [5 часов - лекции, 3 часа - практика,
4 часа – самостоятельно]
13
Классификация электронных состояний двухатомной молекулы как
целого. Колебательная структура электронных переходов. Принцип ФранкаКондона и относительные интенсивности электронно-колебательных полос.
Вращательная структура электронно-колебательных полос. Правила отбора и
типы электронных переходов. Электронные спектры двухатомных молекул.
• Вопросы и задания для самопроверки к материалу темы 4.4 раздела 4
1. Какова классификация молекулярных электронных состояний?
2. Сформулируйте принцип Франка-Кондона
3. Чем определяются относительные интенсивности электронноколебательных полос?
4. Опишите колебательную структуру электронных переходов
5. Опишите вращательную структуру электронно-колебательных полос
Литература к разделу 4
1. Подавалова О.П., Лямкина Н.Э. «Спектроскопия атомов и молекул». Учебное пособие (электронный вариант)
2. М.А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия: Общие вопросы
спектроскопии - М;КОМКНИГА,2006 г
3. И.И. Кондиленко, П.А. Коротков. Введение в атомную спектроскопию.Киев; «Вiща школа», 1976 г.
4. К.Бенуэл. Основы молекулярной спектроскопии. - М.: Мир, 1985 г.
5. Л.А. Грибов. Введение в молекулярную спектроскопию. – М: Наука, 1976 г.
6. П.А. Браун, А.А. Киселев. Введение в теорию молекулярных спектров. – Л:
Из-во ЛГУ, 1983 г.
7. Г.В. Сайдов, О.В. Свердлова. Практическое руководство по молекулярной
спектроскопии. – Л: Из-во ЛГУ, 1980 г.
РАЗДЕЛ 5. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Материал раздела не излагается в лекционном курсе, а осваивается при
выполнении лабораторных работ.
Тема 5.1. Принципы построения спектральных приборов - 6 часов
(0,17з.е.) [6 часов -самостоятельно]
Общие замечания. Приборы с пространственным разложением излучения в спектр. Образование спектра. Дифракционные явления в спектральных
приборах.
Тема 5.2. Основные характеристики щелевых спектральных приборов
- 13 часов (0,36з.е.) [5 часов - лабораторные, 8 часов - самостоятельно]
14
Нормальная ширина щели. Линейная и угловая дисперсия. Светосила по освещенности и потоку. Теоретическая разрешающая способность.
Аппаратная функция. Реальная разрешающая способность.
Тема 5.3. Диспергирующие системы –
лабораторные, 8 часов - самостоятельно]
13 часов (0,36з.е.)
[5 часов -
Призмы и призменные системы. Основные спектральные характеристики. Теория плоской дифракционной решетки. Спектроскопические характеристики дифракционной решетки. Интерферометр как диспергирующий прибор.
Тема 5.4. Основные типы дифракционных и призменных спектральных
приборов – 17 часов (0,47з.е.) [7 часов - лабораторные, 10 часов самостоятельно]
Монохроматоры. Призменные и дифракционные спектрографы. Интерференционные спектральные приборы. Приборы с фотоэлектрической регистрацией спектра. Сравнение информационных способностей дифракционного
и призменного спектрометров.
Контрольные вопросы к материалу раздела 5
1. Из каких функциональных блоков состоит типовой спектральный прибор?
Какие элементы включает в себя каждый из блоков?
2. Какие функции выполняют диспергирующая система, коллиматор и камерный объектив?
3.Какова структурная схема данной спектральной установки?
4. Опишите устройство и принцип действия фотоумножителя.
5. В чем суть модуляционной методики регистрации оптического сигнала?
6. Какова оптическая схема монохроматора МДР-12?
7. Какие функции выполняют: диспергирующий элемент, коллиматор и камерный объектив?
8. Что значит, что критерий Рэлея имеет условный характер?
9. Каковы основные спектральные характеристики дифракционного прибора
и количественно определяющие их формулы?
10. Что называется аппаратной функцией (инструментальным контуром)
прибора? Какой вид имеет аппаратная функция спектрографа с широкой
входной щелью, монохроматора при S1 = S2?
11. Как влияет ширина входной щели на разрешающую способность прибора? Что такое нормальная ширина щели? Объясните, как получена формула
(2.19).
12. Каким параметром решетки определяется наибольшая достигаемая разрешающая сила для длины волны λ? При каком отношение ширины щели b
к периоду решетки d в дифракционной картине будет отсутствовать спектр
третьего порядка?
15
13. Каким условием определяется наибольший порядок спектра mmax?
Какую максимальную длину волны λmax можно наблюдать в спектре решётки
с периодом d?
14. Можно ли по техническим (паспортным) данным отнести прибор к светосильным или высокоразрешающим спектральным приборам? Каковы отличительные особенности спектральных приборов высокой разрешающей силы
и светосильных?
15. Что называют статистическим весом (кратностью вырождения) уровня?
16. Что характеризуют величины сил осцилляторов?
17. Какой способ освещения входной щели монохроматора был использован
вами в данной работе?
18. Почему не применяют щели более узкие, чем нормальные?
19. Какова оптическая схема монохроматора ДМР-4?
20. Что называют апертурной диафрагмой (действующим отверстием) оптической схемы?
21. Каковы основные характеристики призменного спектрального прибора и
количественно определяющие их формулы?
22. Как изменяется изображение спектра в фокальной плоскости прибора, если половину призмы или одного из объективов закрыть непрозрачным экраном?
23. Какие причины могут вызвать уширение наблюдаемой спектральной линии, при регистрации прибором монохроматического излучения?
24. Чем определяется частота электромагнитного излучения и следовательно
положение данной линии в спектре?
25. Как изменяются угловая (линейная) дисперсия и разрешающая способность призменного монохроматора с длиной волны (воспользуйтесь градуировочной кривой <Nбар > = f (λ), имея в виду, что угол поворота призмы θ и
показания волнового барабана N связаны линейной зависимостью)?
26. Каково назначение светофильтров?
27. Какие типы светофильтров существуют и на каких явлениях основана их
работа?
28. Какие характеристики светофильтров относят к основным?
29. Каково пропускание светофильтров, оптическая плотность которых
D = 1; 2; 3?
30. Как устроен интерференционный светофильтр?
31. Чему равен коэффициент пропускания для двух последовательно расположенных светофильтров?
32. Каков принцип действия спектрофотометра SPECOL-20 и его функциональное устройство?
33. Какова оптическая схема спектрофотометра SPECOL-20?
34. Где применяются абсорбционные светофильтры, отражательные селективные светофильтры, интерференционные светофильтры?
35. Каково назначение интерферометра Фабри-Перо? Какие физические явления лежат в основе его работы?
16
36. Какую функцию называют инст- рументальным контуром интерферометра или его аппаратной функцией?
37. Пользуясь условием максимума интерференции для воздушного интерферометра, вывести формулу для основных спектральных характеристик.
38. Как определяется контрастность интерференционных полос?
39. Что такое эффективное число пучков?
Литература к разделу 5
1. Подавалова О.П., Лямкина Н.Э. Спектроскопия атомов и молекул. лабораторный практикум (электронный вариант)
2. Савельев И. В. Курс общей физики т.2 / И. В. Савельев. – М.: Наука,
1978.
1. Лебедева В. В. Техника оптической спектроскопии / В. В. Лебедева –
М.: Изд-во МГУ, 1977.
2. Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию / В. И.
Малышев. – М.: Наука, 1979.
3. Электричество и оптика. Физический практикум / Ред. В. И. Иверонова. – М.: Наука, 1968.
4. Оптические элементы спектральной техники. Учебное пособие./ Сост.
Слабко В.В., Тимофеев В.П.. Красноярск : КГТУ- 1996.
3.3. Лабораторные занятия
Тематика лабораторных работ направлена на закрепление и углубление
теоретических знаний. Лабораторные занятия по дисциплине проводятся с
целью изучения студентами устройства и принципа действия спектральных
приборов различных типов и приобретения ими практических навыков регистрации и обработки оптических спектров. По дисциплине запланированы
лабораторные занятия в объеме 17 часов.
№
№ раздела
Наименование лабораторных работ,
п/п
дисциплины
трудоемкость
1.
Раздел 5
Светофильтры - простейшие монохроматоры света (4часа –
0,11 з.е.)
2.
Раздел 5
Ознакомление с устройством и принципом работы спектральной
установки (4часа – 0,11 з.е.)
Раздел 5
Изучение дифракционного монохроматора (определение спектральных характеристик монохроматора МДР-12: нормальная
ширина щели, аппаратная функция, теоретическая и реальная
разрешающая способность. Изучение спектра неоновой и ртутной газоразрядных ламп) (5часов- 0,14 з.е.)
3.
17
4.
Раздел 5
Изучение призменного монохроматора(градуировка монохроматора ДМР-4. Определение спектральных характеристик) (4часа
– 0,11 з.е.)
3.4. Практические (семинарские) занятия
Практические занятия проводятся для закрепления и углубления знаний,
полученных студентами на лекциях, и должны способствовать выработке у
них умений и навыков в выполнении расчетов спектров атомов и двухатомных молекул. По дисциплине запланированы практические занятия в объеме
17 часов.
№
п/п
№ раздела
дисциплины
Раздел 2
1.
Темы занятий,
трудоемкость
Атом водорода по теории Бора. Комбинационный принцип Ритца (2 часа - 0,06 з.е.)
2.
Раздел 2
Вероятности переходов. Ширина и интенсивность спектральных
линий (2 часа - 0,06 з.е.)
3.
Раздел 2
Квантование моментов количества движения
.Магнитный момент электрона. Векторная модель
(4 часа - 0,11з.е.)
4.
Раздел 3
Тонкая структура уровней. Правила отбора
0,08 з.е.)
5.
Раздел 3
Спектры атомов щелочных металлов (3 часа - 0,08 з.е.)
6.
Раздел 4
Спектры двухатомных молекул (3 часа – 0.08 з.е.).
электрона
атома
(3 часа -
4. Самостоятельная работа
Самостоятельная работа студентов регламентируется графиком учебного процесса и самостоятельной работы. По дисциплине "Спектроскопия
атомов и молекул" учебным планом предусмотрено 95 часов (2,64 з.е.) на
самостоятельную работу, из них 36 часов (1 з.е.) – на изучение разделов теоретического цикла, 27 часов (0,75 з.е.) – на решение задач и 32 часа (0,89
з.е.) – на подготовку к выполнению и защите лабораторных работ.
Часы на самостоятельное изучение теоретического курса, решение задач, подготовку к выполнению и защите лабораторных работ распределяются
по темам следующим образом: тема 1.1 – 2 часа (0,06 з.е.); тема 2.1 – 5 часов (0,13 з.е.); тема 2.2 – 4 часа (0,11 з.е.); тема 2.3 – 4 часа (0,11 з.е.); тема 2.4
18
– 4 часа (0,11 з.е.); тема 2.5 – 5 ча- сов (0,14 з.е.); тема 3.1 – 4 часа (0,11 з.е.); тема 3.2 – 4 часа (0,11 з.е.); тема 3.3 – 4 часа (0,11 з.е.); тема 3.4
– 4 часа (0,11 з.е.); тема 3.5 – 3 часа (0,08 з.е.); тема 3.6 – 3 часа (0,08 з.е.); тема 4.1 – 4 часа (0,11 з.е.); тема 4.2 – 4 часа (0,11 з.е.); тема 4.3 – 5 часов (0,14 з.е.); тема 4.4 – 4 часа (0,11 з.е.); тема 5.1 – 6 часов (0,17 з.е.); тема
5.2 – 8 часов (0,22 з.е.); тема 5.3 – 8 часов (0,22 з.е.); тема 5.4 – 10 часов (0,28 з.е.).
Форма контроля самостоятельного изучения теоретического курса –
промежуточное тестирование, коллоквиум, обсуждение вопросов теоретического курса при сдаче задач. Форма итогового контроля – экзамен (соответствующие вопросы внесены в экзаменационные билеты).
Для самостоятельной работы по подготовке к выполнению и защите
лабораторных работ (4 лабораторные работы) рекомендуется использовать
методические разработки:
• Спектроскопия атомов и молекул: Лабораторный практикум / Сост. Н.
Э. Лямкина, О. П. Подавалова., И. В. Тимофеев (электронный вариант).
• Оптические элементы спектральной техники. Учебное пособие./ Сост.
Слабко В.В., Тимофеев В.П.. Красноярск : КГТУ- 1996.
• Уширение спектральных линий. Учебное пособие./ Сост. Тимофеев
В.П.. Красноярск : КГТУ- 1998.
• Спектры атомов и молекул. Метод.указания по лаб. работам №12-14./
Сост. Ветров С.Я., Золотухин О.Г. Красноярск : КрПИ- 1988.
Вопросы для самопроверки (контрольные вопросы) по циклу лабораторных работ приведены в конце раздела .5
Для получения задания и выполнения самостоятельной работы по решению задач рекомендовано методическое пособие «Спектроскопия атомов и
молекул» Метод. указания к решению задач/ Сост. Н.Э. Лямкина, О.П. Подавалова, М.А.Таранова, И.В. Тимофеев.Красноярск: ИПЦ КГТУ- 2004. Комплекты задач для самостоятельного решения преподаватель, ведущий практические занятия, формирует индивидуально для каждого студента (4 комлекта по 5 задач). Сдача задач осуществляется в установленные преподавателем сроки (см. график учебного процесса и самостоятельной работы) во время практических занятий или в другое время, назначенное преподавателем.
Варианты заданий и номера разделов из названного выше методического пособия приведены в таблице.
19
№
варианта
ЗАДАНИЕ 1
ЗАДАНИЕ 2
Атом Бора. Водородоподобные
системы. Интенсивность и ширина спектральных линий
Свойства атомов. Спектры
1
12
24 б
42 а
2
54
2
3
17
15
28
31
42 б
49
33 б
45
52
23
4
5
3
11
36
30
50
54
14
10
26
35
6
4
5
38
13
50
1а
(n=4)
9
1а
(n=2)
4б
1а
(n=3)
1б
39
44
43 б
18 а
31
33 б,г
46
48
29
66 г
18 б
18 в
32
36
47б
54 а,б
58 б
63
18 г
18 д
40
44
57 в
55 а
64 в
55 б
61
19
( P)
19
5
( D)
26 а
26 б
26 в
26 г
64 б
35
43 б
28 а
60
43 а
28 б
27
4
7
16
24 а
48
12
53
8
9
10
11
5
8
7
6
26
34
33 в
23
37
52
43
42 б
17
15
3
11
46
27
30
35
12
13
13
4
35
36
53
46
16
6
48
34
14
15
10
14
33 а
27
44
41
8
7
28
38
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
10
18
53 а
51 б
22
26
28
53 б
20
51 в
23
50
24
49
19
51 а
55 а
66 а
57 а
60
62
56 а
61
59
66 в
57 в
64 а
56 б
58 а
66 б
55 б
78 б
80
83 а, б,в
76
69
75 б
82 а
73
67 а, б
68 б
84
70
72
81
68 а
45
2
31
54 б,в
5
39
45
4б
33 а,б
48
1а
41
46
(n=2) (Li+, Ca+)
5
32
47а
1а
41
54 а,б
(n=3) (Sr+, С++)
10
40
46
9
38
47б
ЗАДАНИЕ 3
Свойства атомов. Спектры
3
16
6
14
7
15
8
11
16
12
6
8
15
11
3
37
87
98
94
89
82 б
91
95
86
97 а
93 а
99 а
85 б
92
90
96 а, б
43 с
ЗАДАНИЕ 4
Спектры двухатомных молекул
1
2
3
4
5
6
7
8а
9
10
11
12
13
8б
8в
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
11
6
10
21
41
38
12
40
42
19
26
34
14
6
2
38
22аа
15
18
8а
9
28
39
2
8б
2
35
16
8в
21
23
20
4.1. Методические указания к решению задач
При решении задач целесообразно руководствоваться следующими
правилами:
1. Приступая к решению задачи, хорошо вникните в ее условие.
2. Если позволяет характер задачи, сделайте схематический рисунок,
поясняющий ее сущность.
3. Как правило, задача сначала решается в общем виде (т.е. в буквенных обозначениях), причем искомая величина должна быть выражена через
заданные величины.
4. Получив решение в общем виде, проверьте, правильную ли оно
имеет размерность. Неверная размерность есть явный признак ошибочного
решения.
5. Убедившись в правильности общего решения, подставляют в него
вместо букв числовые значения обозначенных ими величин, беря все эти
значения в одной и той же системе единиц. При этом надо помнить, что числовые значения физических величин всегда являются приближенными. Поэтому при расчетах необходимо руководствоваться правилами действий с
приближенными числами. В частности, в полученном значении вычисленной
величины нужно сохранять последним тот знак, единица которого превышает погрешность этой величины. Все следующие значащие цифры надо отбросить.
6. Получив числовой ответ, нужно оценить его правдоподобность.
4.2. Основные формулы, необходимые для решения задач
по дисциплине «Спектроскопия атомов и молекул»
АТОМ БОРА. ВОДОРОДОПОДОБНЫЕ СИСТЕМЫ.
ИНТЕНСИВНОСТЬ И ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ
• Момент импульса электрона на стационарных орбитах
mϑ n rn = n h,
(n = 1, 2, 3 ...),
(1.1)
где rn - радиус n-й орбиты; m - масса электрона; ϑ n - скорость электрона на
орбите; n - главное квантовое число; h - постоянная Планка.
• Энергия фотона, излучаемого атомом при переходе из одного стационарного состояния в другое
ε = hν = E n 2 − E n1 ,
(1.2)
21
где ν - частота излучения; E n 2 и E n1 - энергия атома в стационарных состояниях, соответственно из которого атом переходит и в которое он переходит, или
⎛ 1
1 ⎞
ε = Ei ⎜⎜ 2 − 2 ⎟⎟,
(1.3)
n
n
⎝ 1
2 ⎠
где Ei - энергия ионизации атома водорода (энергия ионизации, выраженная
в электронвольтах, равна потенциалу ионизации, выраженному в вольтах).
• Энергия электрона, находящегося на n-й орбите
En = −
me 4
2n 2 h 2
(1.4)
.
• Формула Бальмера для длин волн линий спектра водорода
⎛ 1
1 ⎞
= R′⎜⎜ 2 − 2 ⎟⎟,
λ
⎝ n1 n2 ⎠
1
(
(1.5)
)
где R′ - постоянная Ридберга R ′ = 1.097 ⋅ 10 5 см -1 ; число n1 определяет серию, n2 - отдельную линию этой серии. Числу n1 = 1 соответствует ультрафиолетовая серия (серия Лаймана); n1 = 2 - видимая серия (серия Бальмера);
n1 = 3 - первая инфракрасная серия (серия Пашена); n1 = 4 - вторая инфракрасная серия (серия Брэкета); n1 = 5 - третья инфракрасная серия (серия
Пфунда). Число n2 выражается формулой n2 = n1 + N , где N - номер спектральной линии в данной серии, взятый в порядке убывания длины волны.
• Сериальная формула для длин волн линий спектра водородоподобных ионов
ν′ =
⎛ 1
1 ⎞
= Z 2 R′⎜⎜ 2 − 2 ⎟⎟,
λ
⎝ n1 n2 ⎠
1
(1.6)
где ν ′ - волновое число; Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева.
• Резонансная линия – спектральная линия, обусловленная переходом
атомов из первого возбужденного состояния в основное.
• Вероятность радиационных переходов между уровнями k и i
( Ei > E k ), т.е. число переходов в единицу времени в расчете на один атом
( Z N ), для спонтанного и индуцированного излучения и поглощения:
22
P ioсп = Z ikсп N i = A ik ;
инд
P инд
N i = B ik ρ (ν );
ik = Z ik
(1.7)
P погл
ki = Z ki N k = B ki ρ (ν ),
где A ik , B ik , B ki - коэффициенты Эйнштейна; ρ (ν ) - объемная спектральная
плотность излучения, отвечающая частоте ν перехода между рассматриваемыми уровнями:
8πν 2
hν
,
(1.8)
ρ (ν ) = 3
c exp(hν kT − 1)
где c - скорость света.
• Связь между коэффициентами Эйнштейна:
g k Bki = g i Bik ,
A ik =
8πν 2
(1.9)
hνBik ,
c3
где g k и g i - статистические веса (кратность вырождения) соответствующих
уровней.
• Распределение Больцмана:
⎛ E − Ek ⎞
N i N k = ( g i g k )exp⎜ − i
(1.10)
⎟,
kT
⎠
⎝
где Ei > E k .
• Интенсивность спектральной линии:
I ik = A ik hν
(1.11)
ik N i .
СВОЙСТВА АТОМОВ. СПЕКТРЫ
• Символическое обозначение состояния атома (спектральный терм)
æ
(L)J
(2.1)
где æ = 2 S + 1 - мультиплетность; L , S и J - квантовые числа: орбитальное,
спиновое и полного момента. Вместо полного орбитального квантового числа L пишут символ в соответствие с таблицей:
L
(L )
0
1
2
3
4
5
6 …
S
P
D
F
G
H
I …
• Энергия внешнего валентталлов (для связанных состояний):
23
E nl = −
ного электрона атомов щелочных ме-
R′hc
(n + σ l )2
,
(2.2)
где R′ - постоянная Ридберга ( R ′ = 1.097 ⋅ 10 5 см −1 ); n - главное квантовое
число; h - постоянная Планка; c - скорость света; σ l - ридберговская поправка (или квантовый дефект).
• Термы атомов щелочных металлов:
Tnl =
R′
(n + σ l )
2
.
(2.3)
• Дираковская формула тонкой структуры атома (иона) с одним
электроном:
R′Z 2 α 2 RZ 4 ⎛ 1
3 ⎞
⎜
⎟⎟,
(2.4)
Т= 2 +
−
⎜
n
n 3 ⎝ j + 1 2 4n ⎠
где Z - заряд ядра (в единицах e ); α - постоянная тонкой структуры; n и j квантовые числа (главное и полного момента).
• Механические моменты атома:
M L = h L(L + 1), аналогично M S и M J .
(2.5)
• Правила Хунда:
1) наименьшей энергией обладает терм с максимальным значением S
при данной электронной конфигурации и максимально возможном при этом
S max значением L ;
2) для основного (нормального) терма J = L − S , если подоболочка
заполнена менее чем наполовину, и J = L + S в остальных случаях.
• Эквивалентными называют электроны с одинаковыми квантовыми
числами n и l .
• Магнитный момент атома и фактор (множитель) Ланде:
μ = gμ Б J ( J + 1),
g=
где μ
Б
- магнетон Бора.
3 S (S + 1) − L(L + 1)
+
,
2
2 J ( J + 1)
(2.6)
24
μ Б = eh 2mc (СГС ),
μ Б = eh 2m (СИ ).
(2.7)
• Зеемановское расщепление спектральных линий в слабом магнитном поле:
(2.8)
Δ ω = (m1 g1 − m2 g 2 ) μ Б В h ,
где m , g - магнитные квантовые числа и множители Ланде соответствующих термов, B - индукция магнитного поля.
Рис. 2.1.
Li
• Правила отбора для квантовых чисел S , L , J , m J :
ΔS = 0;
ΔL = m 1 (одноэлектронные переходы )
ΔJ = 0, m 1;
Δm J = 0, m 1.
(2.9)
Не осуществляются переходы J = 0 ↔ J = 0 и если Δ J = 0 переход
m j = 0 ↔ mJ = 0 .
СПЕКТРЫ ДВУХАТОМНЫХ МОЛЕКУЛ
• Приведенная масса двухатомной молекулы:
25
μ=
m1m2
,
m1 + m2
(3.1)
где m1 и m2 - массы атомов, входящих в состав молекулы.
• Собственная круговая частота осциллятора:
ω = k μ,
(3.2)
где k - коэффициент квазиупругой силы.
• Колебательная энергия двухатомной молекулы:
1 ⎞⎡
1 ⎞⎤
⎛
⎛
Eϑ = h ω ⎜ϑ + ⎟ ⎢1 − x⎜ϑ + ⎟⎥,
2 ⎠⎣
2 ⎠⎦
⎝
⎝
(3.3)
x - коэффициент ангармоничности (для гармонического осциллятора x = 0 );
ϑ = 0, 1, 2... - колебательное квантовое число.
• Правило отбора ϑ :
⎧± 1, если x = 0
Δϑ = ⎨
⎩± 1, m 2, ... в остальных случаях.
(3.4)
• Момент инерции двухатомной молекулы относительно оси, проходящей через ее центр инерции перпендикулярно прямой, соединяющей ядра атомов:
(3.5)
I = μ r2,
где r - межъядерное расстояние.
• Вращательная энергия двухатомной молекулы:
E J = BJ ( J + 1),
B = h 2 2I ,
(3.6)
где B - вращательная постоянная.
• Спектроскопическое волновое число:
ν′=
1
λ
(3.7)
• Энергия ε фотона излучеволновым числом соотношением:
26
ния связана со спектроскопическим
ε = 2 π h cν ′,
(3.8)
где c - скорость распространения электромагнитного излучения.
5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
5.1.Основная и дополнительная литература
Основная литература
1. Спектроскопия атомов и молекул. Метод. указания к решению задач/ Сост.
Н.Э. Лямкина, О.П. Подавалова, М.А.Таранова, И.В. Тимофеев.Красноярск:
ИПЦ КГТУ-2004.
2. Оптические элементы спектральной техники. Учебное пособие./ Сост.
Слабко В.В., Тимофеев В.П.. Красноярск : КГТУ- 1996.
3. М.А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия: Общие вопросы
спектроскопии - М;КОМКНИГА,2006 г
4. И.И. Кондиленко, П.А. Коротков. Введение в атомную спектроскопию.Киев; «Вiща школа», 1976 г.
5. И.Е.Савельев. Курс обшей физики. т.3. – М.: Высшая школа, 1999 г.
6. К.Бенуэл. Основы молекулярной спектроскопии. - М.: Мир, 1985 г.
7. Уширение спектральных линий. Учебное пособие./ Сост. Тимофеев В.П..
Красноярск : КГТУ- 1998.
8. С.Э. Фриш. Оптические спе5ктры атомов. _ М.: Наука, 1963 г.
Дополнительная литература
1 Э.В. Шпольский. Атомная физика. Т 1. – М: Наука, 1974 г.
2. Э.В. Шпольский. Атомная физика. Т 2. – М: Наука, 1974 г.
3. В.И. Малышев. Введение в экспериментальную спектроскопию. – М.: Мир,
1985 г.
4. А.Н. Зайдель, Г.В. Островская, Ю.И. Островский. Техника и практика спектроскопии. — М; Наука, 1972 г.
5. В. В. Лебедева. Техника оптической спектроскопию- М; Из-во МГУ, 1977 г.
6. Э.А. Нерсесов. Основные законы атомной и ядерной физики. – М: Высшая
школа, 1988 г.
7. Л.А. Грибов. Введение в молекулярную спектроскопию. – М: Наука, 1976 г.
8. П.А. Браун, А.А. Киселев. Введение в теорию молекулярных спектров. – Л:
Из-во ЛГУ, 1983 г.
9. Г.В. Сайдов, О.В. Свердлова. Практическое руководство по молекулярной
спектроскопии. – Л: Из-во ЛГУ, 1980 г.
10. В.А. Вагин, М.А. Гершун, Г.Н. Жижин, К.И. Тарасов. Светосильные спектральные приборы. – М: Наука, 1988 г.
27
5.2. Перечень наглядных и других пособий, методических указаний
и материалов к техническим средствам обучения
• Демонстрационная презентация (100 слайдов) выполненная в Power
Point.
методические указания по курсу:
• Спектроскопия атомов и молекул. Метод. указания к решению задач/
Сост. Н.Э. Лямкина, О.П. Подавалова, М.А.Таранова, И.В. Тимофеев. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004.
• Спектроскопия атомов и молекул: Лабораторный практикум / Сост. Н.
Э. Лямкина, О. П. Подавалова., И. В. Тимофеев (электронный вариант)
• Спектроскопия атомов и молекул. Учебное пособие / Сост., О.П. Подавалова, Н.Э. Лямкина, (электронный вариант).
• Оптические элементы спектральной техники. Учебное пособие./ Сост.
Слабко В.В., Тимофеев В.П.. Красноярск : КГТУ- 1996.
• Уширение спектральных линий. Учебное пособие./ Сост. Тимофеев
В.П.. Красноярск : КГТУ- 1998.
• Спектры атомов и молекул. Метод.указания по лаб. работам №12-14./
Сост. Ветров С.Я., Золотухин О.Г. Красноярск : КрПИ- 1988.
5.3. Контрольно-измерительные материалы
Для внутрисеместрового контроля знаний, умений и навыков студентов в соответствии с реализуемыми компетенциями используются:
• задачи, приведенные в сборнике «Спектроскопия атомов и молекул».
Метод. указания к решению задач/ Сост. Н.Э. Лямкина, О.П. Подавалова,
М.А.Таранова, И.В. Тимофеев. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004;
• банк тестовых заданий (324 заданий по всем разделам теоретического
курса);
• вопросы, приведенные в конце каждой из лабораторных работ лабораторного практикума «Спектроскопия атомов и молекул» / Сост. Н. Э. Лямкина, О. П. Подавалова., И. В. Тимофеев (электронный вариант)
• Вопросы для самопроверки, приведенные в конце каждой темы
Для итогового контроля знаний студентов используются вопросы к экзаменационным билетам.
Вопросы, выносимые на экзамен
1. Вероятности переходов. Спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна.
2. Квантовые постулаты Бора. Теория атома Бора.
3. Тонкая структура уровней энергии и спектральных линий атома водорода.
4. Магнитные моменты атомов и их связь с механическими моментами.
28
5. Электронные состояния многоэлектронных атомов (одночастичное приближение).
6. Степень вырождения уровней энергии одноэлектронного атома
7. Характеристика стационарных состояний одноэлектронного атома (нормальное состояние) на основе квантовой механики и теории Бора.
8. Время жизни возбужденных состояний. Квантовый выход.
9. Термы эквивалентных электронов.
10. Общая характеристика спектров атомов щелочных металлов.
11. Характеристика стационарных состояний одноэлектронного атома (первое возбужденное состояние) на основе квантовой механики и теории Бора.
12. Естественная ширина уровней энергии и спектральных линий (классическое рассмотрение).
13. Естественная ширина уровней энергии и спектральных линий (квантовомеханическое рассмотрение).
14. Термы неэквивалентных электронов
15. Влияние внешнего магнитного поля на атомные термы. Общая картина
зеемановского расщепления спектральных линий в слабом магнитном поле.
16. Общая характеристика спектров атомов с двумя внешними s-электронами
(щелочно-земельные элементы).
17. Спектры атомов гелия и ртути.
18. Силы осцилляторов
19. .Векторная модель атома.
20. Вращение двухатомных молекул. Колебательно-вращательные спектры.
21. Колебания двухатомных молекул. Колебательно-вращательные спектры.
22. Мультиплетность. Мультиплетное расщепление.
23. Контуры спектральных линий при естественном и столкновительном
уширении. Однородное уширение.
24. Интенсивность спектральных линий. Населенности уровней.
25. Атом водорода с квантовой точки зрения.
26. Комбинационный принцип Ритца. Природа спектральных термов. Спектральные закономерности в спектре водорода и сходных с ним ионов.
27. Символическое обозначение атомных состояний.
28. Правила отбора электроно-колебательно-вращательных переходов двухатомных молекул.
29. Классификация электронных состояний двухатомных молекул.
30. Сложение орбитальных и спиновых моментов.
31. Контур спектральных линий при доплеровском уширении. Неоднородное
уширение.
32. .Виды движения в молекулах и типы молекулярных спектров. Электронные термы молекулы. Зависимость электронной энергии молекулы от расстояний между ядрами.
33. Правила отбора.
29
34. Распределение интенсивности в системе
полос. Принцип Франка-Кондона.
электронно-колебательных
6. Организационно-методическое обеспечение учебного процесса
по дисциплине в системе зачетных единиц
Дисциплина «Спектроскопия атомов и молекул» ведется двумя модулями.
Распределение трудоемкости по видам учебной работы в относительных единицах по дисциплине приведена в таблице 1.
Глоссарий (краткий словарь терминов)
Атомные спектры – спектры, получающиеся при испускании или поглощении электромагнитного излучения свободными или слабо связанными
атомами (например, в газах или парах). Являются линейчатыми, т. е. сотоят
из отдельных спектральных линий.
Азимутальное (орбитальное) квантовое число l определяет возможr
v
ные значения орбитального момента импульса l электрона ( L -атома) в сферически симметричном кулоновском поле ядра.
Ангстрем (Ǻ) – внестстемная единица измерения длин волн спектральных линий, равная 10-10 м
Бальмера формула обобщенная дает волновые числа ν ′ для всех спектральных
линий
атома
водорода и
водородоподобных
ионов
⎛ 1
1
1 ⎞
= R′ Z 2 ⎜⎜ 2 − 2 ⎟⎟ , где R’ – постоянная Ридберга. При различных
ν′=
λ
⎝ n1 n2 ⎠
n1 = 1, 2, 3,... и n2 = n1 + 1, n1 + 2, ... получаются различные спектральные серии.
Безызлучательный квантовый переход – квантовый переход, при котором энергия атомной системы (атома, молекулы и др.) изменяется не путем
поглощения или испускания ею электромагнитного излучения, а в результате
ее взаимодействия с другими системами, например, при столкновении частиц
(энергия возбуждения переходит в кинетическую энергию).
Бора постулаты – основные допущения, введенные без доказательства Н. Бором и положенные им в основу теории атома водорода.
Бора теория – первая квантовая теория атома, предложенная в 1913 г.
Н.Бором. Теория Бора предшествовала современной квантовой механике.
Векторная модель атома – полуклассический метод, устанавливающий правила векторного сложения моментов импульса квантовой системы,
позволяющая находить все возможные термы для данной конфигурации.
Вероятность поглощения Bki ρ (ν ik ) – физическая величина, определяющая число поглощенных в единицу времени фотонов частоты ν ik в рас-
30
чете на одну частицу с энергией Ek , при плотности внешнего излучения
ρ (ν ik ) на данной частоте.
Вероятность спонтанного испускания Аik – физическая величина,
определяющая число спонтанно (самопроизвольно) испускаемых в единицу
времени фотонов частоты ν в расчете на одну возбужденную частицу с энергией Ei.
Возбужденное состояние квантовой системы – состояние атома,
молекулы и др. с энергией выше минимальной из дискретного ряда возможных для этой системы энергий. Возбужденным называют все состояния кроме основного состояния (состояния с минимальной энергией).
Волновое число – в спектроскопии величина, обратная длине волны
1
ν ′=
.
λ
Вращательные уровни энергии молекул – уровни, связанные с вращением молекулы как целого.
Время жизни – средняя продолжительность пребывания квантовых
систем (атомов, молекул и др.) в состояниях с постоянной энергией; величина обратная полной вероятности перехода и равная промежутку времени, в
течение которого число квантовых систем, находящихся в данном состоянии,
уменьшится в е раз.
Вынужденное излучение, индуцированное излучение – излучение электромагнитных волн частицами вещества (атомами, молекулами и др.), находящимися в возбужденном состоянии под действием внешнего вынуждающего электромагнитного излучения.
Вырождение уровней энергии – существование у атомов, молекул и
других квантовых систем устойчивых состояний, соответствующих одному и
тому же значению энергии системы, но различающихся каким-либо квантовым числом.
Главное квантовое число n – квантовое число, определяющее возможные значения En энергии атома водорода и водородоподобных ионов в
R′Z 2
стационарных состояниях E = − 2 , где R’ – постоянная Ридберга.
n
Диссоциация – распад молекул на более простые части – атомы, группы атомов или ионы.
Доплера эффект – изменение частоты колебаний электромагнитных
волн, воспринимаемой наблюдателем, вследствие взаимного движения наблюдателя и источника волн. При их сближении обнаруживается повышение
частоты, при удалении – понижение.
Зеемана эффект – расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других атомных систем в магнитном поле. Различают простой
(нормальный) и сложный (аномальный) эффект Зеемана. При простом эффекте Зеемана в направлении, перпендикулярном направлению напряженно-
31
v
сти магнитного поля H наблюдается зеемановский триплет – несмещенная
относительно первичной линии π-компонента и две симметричные от нее σкомпоненты. При аномальном эффекте Зеемана картина становится сложней.
Ионизация в газах – отрыв от атома или молекулы газа одного или нескольких электронов. Осуществляется под действием различных факторов
(электромагнитного излучения, удара электронов или других атомов, повышении температуры) и приводит к возникновению ионов.
Интенсивность излучения – энергия излучения, испускаемого или
поглощаемого частицами в виде фотонов различной частоты в единицу времени в единице объема.
Ионизационный потенциал (потенциал ионизации) – наименьшая
разность потенциалов V, которую должен пройти электрон в ускоряющем
электрическом поле, чтобы его энергия eV была достаточна для ионизации
невозбужденного атома (молекулы) электронным ударом.
Источники света – излучатели электромагнитной энергии в оптическом диапазоне.
Квантовые числа – целые или полуцелые числа, определяющие возможные дискретные значения физических величин системы (атома, молекулы и т. д.), которая подчиняется законам квантовой механики. Так состояние
электрона в атоме водорода определяется четырьмя квантовыми числами
n, l , ms , ml – главным, орбитальным, магнитным орбитальным и магнитным
спиновым квантовыми числами, соответственно .
Квантовый переход – скачкообразный переход квантовой системы
(атома, молекулы и др.) с одного уровня энергии нам другой. При переходе с
более высокого уровня энергии Ei на более низкий Ek система излучает
энергию Ei - Ek, а при обратном переходе ее поглощает.
Контур спектральной линии – распределение интенсивности излучения в зависимости от частоты (длины волны) внутри спектральной линии. В
случае однородного уширения контур спектральной линии описывается
функцией Лоренца, при неоднородном уширении –функцией Гаусса.
Конфигурация электронная –символическая запись распределения
электронов по состояниям с указанием главного n и орбитального l квантовых чисел. При символическом описании состояния атома через электронную конфигурацию как правило, указывается совокупность значений n и l
внешних (валентных) электронов.
Кратность вырождения (степень вырождения) – число различных
стационарных состояний, соответствующих одному и тому же значению
главного квантового числа n, с учетом спина электрона равна
n −1
2 ∑ (2l + 1) = 2n 2 , где l – орбитальное квантовое число.
i=0
Линейчатые спектры – спектры, состоящие из отдельных узких спектральных линий.
32
Магнитное орбитальное ( ml ) и спиновое ( ms )квантовые числа –
определяют возможные значения проекции вектора орбитального и спинового момента импульсма электрона на выделенное направление (ось Z):
LZ = ml h и Lsz = ms h соответственно.
Метастабильное состояние – возбужденное энергетическое состояние квантовых систем, в котором они могут существовать длительное время
(квазистабильны). Метастабильными являются такие возбужденные состояния, квантовые переходы из которых в состояния с меньшей энергией, сопровождающиеся излучением (испусканием фотонов) запрещены правилами
отбора (строгими или приближенными). И, следовательно, либо совсем не
могут происходить, либо маловероятны.
Молекулярные спектры – спектры поглощения и испускания, возникающие при квантовых переходах молекул с одних уровней на другие. Наблюдаются в виде полос, распадающихся на совокупность близко расположенных спектральных линий.
Мультиплетность (χ) – число возможных ориентаций в пространстве
полного спина атома или молекулы. Мультиплетность определяется как
χ = 2 S +1 , где S – спиновое квантовое число. Мультиплетность определяет
кратность вырождения уровней энергии атомной системы.
Населенность (заселенность) уровня – число частиц в единице объема вещества, находящихся в определенном энергетическом состоянии (на
данном энергетическом уровне).
Неопределенности соотношение для энергии Е и времени t имеет вид
ΔE Δt ≥ h . Согласно соотношению неопределенностей энергии возбужденных уровней не могут быть строго определенными, т. е. обладают некоторой
шириной ( так называемая естественная ширина уровня). Если Δt – среднее
время жизни возбужденного состояния, то ширина его уровня энергии составляет ΔE ~ h Δt .
Оптическое излучение – электромагнитное излучение, длины волн которого заключены в интервале от 10 нм до 1 мм. К оптическому излучению
относится инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение.
Основное состояние квантовой системы (атома, молекулы и др.) –
состояние с наименьшей возможной внутренней энергией. Является устойчивым.
Отбора правила – правила, определяющие возможность квантовых
переходов между уровнями энергии атомов, молекул и квантовых систем.
Правила отбора формулируются в виде соотношений между квантовыми
числами и являются следствием определенных законов сохранения.
Разрешенные линии – спектральные линии , возникающие при излучательных квантовых переходах, для которых выполняются правила отбора.
Резонансные спектральные линии – спектральные линии , возникающие при излучательных квантовых переходах из возбужденных состояний в
33
основное. (в узком смысле резонанс- ными спектральными линиями называют спектральные линии при переходе из первого возбужденного состояния
атомной системы в основное)
Связь нормальная (связь Рассел-Саундерса или LS-связь) –
определенная последовательность сложения моментов импульсов в квантовой системе, определяемая относительными величинами взаимодействий
электронов, находящихся, как правило, в незаполненных внешних оболочках.
Нормальная связь осуществляется в случае, когда электростатическое взаимодействие электронов между собой велико по сравнению со спинорбитальным взаимодействием.
Связь ( jj ) – другой предельный тип связи, который имеет место в случае когда спин-орбитальное взаимодействие преобладает над кулоновским.
Стационарное состояние – состояние системы, при котором значение
некоторых существенных для его описания величин (например энергии) не
меняется со временем.
Тонкая структура (мультиплетное расщепление) – расщепление
уровней энергии атомов, молекул и др. на несколько уровне (подуровней) ,
обусловленное спин-орбитальным взаимодействием.
34
Трудоемкость модулей и видов учебной работы в относительных единицах по дисциплине
«Спектроскопия атомов и молекул»_, образовательной программы _140400.62 «Техническая физика»_
факультета _Инженерно-физического , курса _3_на __осенний_ семестр
1
2
1. Всего
1.1 Модуль
№1
1-8
неделя
1.2 Модуль
9-17
неделя
0,25
1,5
(5%)
(30%)
0,12
0,7
0,13
0,8
-
-
-
-
1,25
-
-
-
-
Итого
Виды текущей работы
ПосеВыПрак- Выпол- Выпол- Подго- Реше- Про- Другие
щае- полне- тиче- нение и нение и товка и
ние
межу- виды
(по
мость ние и ские и защита защита сдача
комточлекций защита семи- курсоРГЗ
рефера- плектов ный решению
лабо- нарские вых
тов
задач
конратор- занятия проектроль кафедры)
ных
тов
работ
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Сдача зачета
3
зачетных
единиц
№2
Аттестация
(40 %)
Сдача экзамена
Текущая работа (60 %),
Срок реализации модуля
№ Название
п/п модулей
дисциплины
14
15
2
5
(25%)
-
-
-
-
0,58
0,67
1,4
2
3,6
35