Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Atom ve Molekül Fiziği › İki Atomlu Moleküller · Dönme ve Titreşim Spektrumları

İki Atomlu Moleküller: Titreşim ve Dönme Spektrumları

Born–Oppenheimer yaklaşımında çekirdekler, elektronların oluşturduğu potansiyel enerji eğrisi $V(r)$ içinde hareket eder. Gerçekçi bir model Morse potansiyelidir:

$$V(r) = D_e\left(1 - e^{-a(r - r_e)}\right)^2,\qquad a = \omega_e\sqrt{\frac{\mu}{2D_e}}\ \ (\omega_e = 2\pi c\,\tilde\omega_e)$$

Bu potansiyelin titreşim düzeyleri (dalga sayısı birimiyle) $G(v) = \tilde\omega_e(v+\tfrac12) - \tilde\omega_e x_e(v+\tfrac12)^2$, $\tilde\omega_e x_e = \tilde\omega_e^2/(4D_e)$ biçimindedir: harmonik salınıcının eşit aralıklı merdiveninden farklı olarak düzeyler yukarı doğru sıklaşır ve ayrışma sınırında biter. Katı dönücü yaklaşımında dönme düzeyleri $F(J) = BJ(J+1)$, $B = h/(8\pi^2 c\,\mu r_e^2)$ olur.

Seçim kuralları ve dönme–titreşim bandı

Kalıcı dipol momenti olan moleküllerde (HCl, CO) kızılötesi soğurma için $\Delta v = \pm1$ (anharmoniklikle zayıf üst tonlar da) ve $\Delta J = \pm1$ gerekir. $\Delta J = +1$ çizgileri R dalını, $\Delta J = -1$ çizgileri P dalını oluşturur; $\Delta J = 0$ (Q dalı) yasak olduğu için band merkezinde ($\tilde\nu_0$) bir boşluk kalır. $H_2$ gibi eşçekirdekli moleküllerin dipol momenti olmadığından kızılötesi dönme ve titreşim spektrumu yoktur (Raman ile gözlenir).

Parametreler

Molekül

Bir titreşim düzeyine tıklayın: enerjisi, harmonik değerle farkı ve klasik dönüm noktaları hesaplanır.

Hesaplama

Bunu dene

1. Morse modunda HCl için kaç bağlı titreşim düzeyi olduğunu ve $v = 10$ düzeyinin harmonik tahminden ne kadar aşağıda kaldığını bulun.

Açıklama
$\tilde\omega_e x_e = \tilde\omega_e^2/(4D_e) = 2990.9^2/(4\cdot37247) \approx 60.0\ \text{cm}^{-1}$; $v_{\max} = \lfloor 2D_e/\tilde\omega_e - \tfrac12\rfloor = 24$, yani 25 bağlı düzey. $v = 10$ için fark $\tilde\omega_e x_e (10.5)^2 \approx 6.6\times10^3\ \text{cm}^{-1}$ (≈ 0.82 eV). (Deneysel $\tilde\omega_e x_e = 52.8$ cm⁻¹; Morse modeli anharmonikliği biraz büyük verir.)

2. Dönme–titreşim modunda (HCl, 300 K) band merkezinin iki yanındaki R(0) ve P(1) çizgileri arasındaki aralığı ölçün. Komşu çizgilerin aralığı neden yaklaşık $2B$, merkezdeki boşluk ise $4B$?

Açıklama
R(0) $\approx 2905.6$ cm⁻¹, P(1) $\approx 2864.4$ cm⁻¹: fark $\approx 41.2\ \text{cm}^{-1} \approx 4B$. Q dalı yasak olduğundan $\tilde\nu_0 \approx 2885.3$ cm⁻¹'de çizgi yoktur. R dalında aralıklar giderek daralır, P dalında genişler; çünkü üst titreşim düzeyinde $B_1 < B_0$ (bağ ortalamada daha uzun).

3. Sıcaklığı 100 K'den 1000 K'e çıkarın. En şiddetli çizginin $J$ değeri nasıl değişiyor? $J_{\max} \approx \sqrt{kT/(2hcB)} - \tfrac12$ ile karşılaştırın.

Açıklama
HCl ($B_0 = 10.44$ cm⁻¹) için $kT/hc$ 100 K'de 69.5 cm⁻¹, 1000 K'de 695 cm⁻¹: $J_{\max} \approx 1.3 \to 1$ ve $5.3 \to 5$. Yüksek sıcaklıkta daha yüksek dönme düzeyleri dolduğundan dallar genişler. H₂ seçerseniz kızılötesi spektrum olmadığını görürsünüz.

Atom ve Molekül Fiziği dersindeki diğer simülasyonlar