第21讲双原子分子光谱二振动光谱
分子光谱
分子之所以能够吸收或发射光谱，是因为分子中的 电子在不同的状态中运动，同时分子自身由原子核 组成的框架也在不停地振动和转动。按照量子力学， 分子的所有这些运动状态都是量子化的。
分子在不同能级之间的跃迁以光吸收或光辐射形式
表现出来，就形成了分子光谱。
1. 光的基本性质 (电磁波的波粒二象性)
650 ～ 760
蓝绿 绿 黄绿 黄 橙
红
红 红紫 紫 蓝 绿蓝 蓝绿
2.物质分子内部3 种运动形式及其对应能级：
（1） 电子相对于原子核的运动--电子能级;
单重态：激发态与基态中的电子自旋方向相反. 三重态：激发态与基态中的电子自旋方向相同. （2） 原子核在其平衡位置附近的相对振动 --振动能级; （3） 分子本身绕其重心的转动 --转动能级.
简谐振子模型下， 双原子分子的红外光 谱只有一条谱线，波 数即为谐振子的经典 振动波数。与实验近 似相符。
HCl的红外光谱
D0：光谱解离能；De：平衡解离能
2. 非谐振子模型 势能曲线不选
1 K (r re ) 2 Morse 函数 2
[ ( r re )] 2
V De{1 e
选律：J＝1 谱线―― 远红外线，微波谱
测定异核双原分子的键长，（同位素效应）
~ B I r (核间距)
~ 2 B( J 1)，B h 8 2 Ic , I r 2
例3.1：H35Cl的远红外光谱线的波数分别为21.18, 42.38, 63.54, 84.72, 105.91cm-1，试求其转动惯量及核间距。
3
8B
3
4
4
10B
4 5
~: v
刚性转子模型
振动光谱
动，因此线性分子振动的自由度为3n-5。
基本振动类型---伸缩振动
伸缩振动：健合原子沿健轴方向的振动，健长改变，而健 角不改变。
（1）对称伸缩振动：两个原子相对于第三个原子作对称 的位移振动；
拉 曼
8102~ 1.3104~2.5 3.81014~ 1.6~101 可见光谱
4102 104
1015
光 谱
4102~ 2.5104~105 1015~1.5 101~102 紫外光谱
1102
1016
102~10-2 106~108
1016~1018 103~106 X 射线光谱
振动光谱基本原理---光的二重性
和0.05eV。
弹簧谐振子振动
●谐振子的振动势能有：
●体系的动能有： 根据虎克定律： ●谐振子的振动频度为：
式中，Ep是谐振子的振动势能， k为弹簧力常数，d为小球位移。
m为小球质量，v为小球运动速度。
双原子分子的谐振模型
如重心不变则有：
其中μ为折合质量
双原子分子的谐振模型
●设当两原子振动时的位移为R=r-re ，则分子振动势 能可表示为：
谐振子吸收或发射辐射地 必定依照△n=±1
的规律增减，这称为选律， 而这类吸收而产生的光 谱率称为基频。
倍频和差频
真实分子的振动不完全符合谐振子模型，在很 多情况下，可能出现△n＞1；
●当△n=2，称为第一泛音带， ●当△n=3，称为第二泛音带， ●相反也可能出现ν1+ν2 和 ν1-ν2的红外吸收。
●用波长表示则： 光子量能量随波长的增加
结构化学知识点归纳
2. 光谱项： 2S+1 L ，光谱支项： 2S+1 LJ 。
L：
0
1
2
3
4
5
符号：
S
P
D
F
G
H
3. 谱项能级的高低：Hund 规则：
（1）原子在同一组态时，S 值越大其能量越低；
（2）S 值相同时，L 值越大其能量越低；
（3）S，L 都相同时，电子少于半充满，J 值小能量低；电子多于半充满时，J
值大能量低。
− =2 d2ψ = Eψ 2m dx2
其解为：ψ n (x) =
2 l
sin( nπ l
x)，
En
=
n2h2 8ml 2
解的特点：（1）粒子可以存在多种运动状态；（2）能量是量子化的；（3）存 在零点能；（4）没有经典运动轨道，只有概率分布；（5）存在节点，节点越多， 能量越高。以上这些特点是所以量子力学体系都有的特点。
∫ ∫ 自厄算符：满足
ψ
* 2
(
Aˆψ
1
)dτ
=
ψ 2 ( Aˆψ1)*dτ 的算符。
自厄算符的性质：（1）本证值都是实数；（2）不同本证值的本证函数相互正 交。
3. 假设 3：若某一物理量 A 的算符 Aˆ 作用于某一状态函数ψ ，等于某一常数 a 乘
以ψ ，即： Aˆψ = aψ ，那么对ψ 所描述的这个微观体系的状态，物理量 A 具有确
（2）外层电子对内层无屏蔽作用，σ = 0 ；
（3）同一组电子σ = 0.35 （1s 组内电子间的σ = 0.30 ）；
（4）对于 s，p 电子，相邻内一组的电子对它的屏蔽常数是 0.85；对于 d，f 电
子，相邻内一组的电子对它的屏蔽常数是 1.00；
共价键和双原子分子的结构化学习题解答
CN： (1σ ) (2σ ) (1π ) (3σ )
2 2 4
1
5
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1 2 S = , Λ = 0 ，基态光谱项： Σ 。 2
作业完 【3.1】试计算当 Na+和 Cl-相距 290pm 时，两离子间的静电引力和万有引力；并说明讨论化 学键作用力时，万有引力可以忽略不计。 （已知：完有引力 F = G 静电引力 F = K
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03 共价键和双原子分子的结构化学 本章主要知识点
一、变分法原理
ˆ 算符求得的能量平 对于任意一个品优波函数ψ （叫试探函数） ，用体系的 H
均值，总是大于或等于体系基态的能量（ E0 ） ，即：
E ˆ ψ dτ ∫ψ H = ≥E ψ ψ τ d ∫
* *
0
因此，可以用带参数的波函数，通过对参数求极值，从而得到尽可能接近真实体 系的波函数。 1. 线 性 变 分 法 ： 选 试 探 函 数 为 线 性 函 数 ψ = c1ψ 1 + c2ψ 2 + " + cnψ n ， 其 中
m1m2 −11 2 −2 , G = 6.7 × 10 N ⋅ m ⋅ kg ； 2 r
q1q2 −11 2 −2 , K = 9.0 × 10 N ⋅ m ⋅ C ） r2
解：万有引力
F =G
m1m2 r2
= 6.7 × 10−11 N ⋅ m 2 ⋅ kg −2 = 1.76 × 10−43 N
＋ ＋ － － － ＋ ＋ ＋ － －
【3.13】写出 Cl2，CN 的价层电子组态和基态光谱项。 解：Cl2： (σ 3 s ) (σ 3 s ) (σ 3 pz ) (π 3 px ) (π 3 p y ) (σ 3 px ) (σ 3 p y )
分子振动光谱
1振动光谱的基本原理●定义及分类所谓振动光谱是指物质分子或原子基团的振动所产生的光谱。
●如果将透过物质的电磁辐射用单色器加以色散，使波长按长短依次排列，同时测量在不同波长处的辐射强度，得到的是吸收光谱。
如果用的光源是红外光谱范围，即0.78-1000µm，就是红外吸收光谱。
如果用的是强单色光，例如激光，产生的是激光拉曼光谱。
2电磁波与物质相互作用E=hν =hc/λ电磁波的产生与两个能态上粒子的跃迁有关。
在不同能量电磁波作用下, 物质的不同状态将出现共振吸收( Resonance), 形成共振谱。
3分子振动模型●1、双原子分子振动模型双原子分子是很简单的分子，其振动形式是很简单的，如HCl分子，它只有一种振动形式，即伸缩振动。
双原子分子的振动可以近似地看作为简谐振动，由经典力学的HOOK 定律可以推导出该体系的振动频率公式：●2、多原子分子振动模型（1）简正振动多原子分子的振动是复杂的，但可以把它们的振动分解成许多简单的基本振动单元，这些基本振动称为简正振动。
简正振动具有以下特点：1）振动的运动状态可以用空间自由度（坐标）来表示，体系中的每一质点具有XYZ三个自由度；2）振动过程中，分子质心保持不变，分子整体不转动；3）每个原子都在其平衡位置上作简谐振动，各原子的振动频率及位相相同，即各原子在同一时间通过其平衡位置，又在同一时间达到最大的振动位移；4）分子中任何一个复杂振动都可以看成这些简正振动的线性组合。
●（3）简正振动的数目简正振动的数目称为振动自由度。
每个振动自由度对应于IR谱图上的一个基频吸收带。
分子的总自由度取决于构成分子的原子在空间中的位置。
每个原子空间位置可以用直角坐标系中x、y、z三个坐标表示，即有三个自由度。
显然，由n个原子组成的分子，具有3n个总自由度，即有3n种运动状态，而3n种运动状态包括了分子的振动、平动和转动。
即:3n = 振动自由度 + 平动自由度 + 转动自由度振动自由度 = 3n - 平动自由度 - 转动自由度对于非线性分子，振动自由度 = 3n - 6对于线性分子，振动自由度 = 3n - 54物质因受红外光的作用，引起分子或原子基团的振动（热振动），从而产生对红外光的吸收。
振动光谱-1
在使频率降低，谱峰变宽，积分强度增加，它 是判断有无醇、酚和有机酸的重要依据。当无 氢键存在时，O—H或N—H成一尖锐的单峰出 现在频率较高的部分。
N—H伸缩振动在3500～3300cm-1区域，和 O—H谱带重叠。但峰形略比O—H尖锐。伯、 仲酰胺和伯、仲胺类在该区都有吸收谱带。
苯的衍生物在2000~1667cm-1区域出现面 外弯曲振动的倍频和组频谱带，它们的强 度较弱，但该区吸收峰的数目和形状与芳 核的取代类型有直接关系，在判别苯环取 代类型上非常有用。
4）部分单键振动及指纹区域 （1500～400cm-1 ）
该区域的光谱比较复杂，一般较难找到它 们的归属。对鉴定有用的特征谱带主要有 C—H，O—H的变形振动以及C—O，C—N， C—X等的伸缩振动及芳环的C—H弯曲振动
环状结构也能使C=O伸缩振动的频率发生变化。羰基在七元环和六 元环上，其振动频率和直链分子的差不多。当羰基处在五元环或四元 环上时，其振动频率随环的原子个数减少而增加。这种现象可以在环 状酮，内酯以及内酰胺等化合物中看到。
3 氢键效应
氢键(分子内氢键；分子间氢键)：对峰位，峰强产 生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向移动，谱 带变宽;弯曲振动向高频移动，谱带变窄。
例1：
R-COR C=0 1715cm-1 ; R-COCl C=0 1800cm-1 ; F-COF C=0 1920cm-1 ;
？
R-COH C=0 1730cm -1 ； R-COF C=0 1920cm-1 ; R-CONH2 C=0 1928cm-1 ;
例2：
ｂ．共轭效应
例1：
例2：
原子光谱与分子光谱ppt课件
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
一、 原子光谱
1.光谱项符号
原子外层有一个电子时，其能级可由四个量子数决定： 主量子数 n；角量子数 l；磁量子数 m；自旋量子数 s； 原子外层有多个电子时，其运动状态用总角量子数L；总 自旋量子数S；内量子数J 描述；
例：钠原子，一个外层电子， S =1/2；因此： M =2( S ) +1 = 2；双重线； 碱土金属：两个外层电子， 自旋方向相同时， S =1/2 + 1/2 =1， M = 3；三重线； 自旋方向相反时， S =1/2 － 1/2 =0， M = 1；单重线；
2024/7/28
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元素由基态到第一激发 态的跃迁最易发生，需要的 能量最低，产生的谱线也最 强，该谱线称为共振线 ，也 称为该元素的特征谱线；
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知识点2-双原子分子的振动
~ 1307
k
化学键键强越强（即键的力 常数K越大）,原子折合质量越 小，化学键的振动频率越大， 吸收峰将出现在高波数区。
k = 5.1N·cm-1 v 据公式 计算基频吸收峰频率
v
例： HCl
~ 1307
k
~ 1307
5 .1 2993 （ cm 1） 1 35 .45 1 35 .45
v 室温下，大多数分子处于振动基态（v=0）
如果只考虑从基态的跃迁，则 1 ~ ~ 0n n [1 (n 1) x]cm
v
~ ~ (1 2 x) 01
fundamental （基频） first overtone （一级倍频） second overtone （二级倍频）
键类型 力常数 峰位
—CC — > —C =C — > —C — C — 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6 高波数 中 较低
化学键键强越强（即键的力 常数 K 越大），化学键的振 动频率越大，吸收峰将出现 在高波数区。
表 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
O-H> S-H ；C=O>C-O；N-H > N-N；C-H>C-C
v 1
1 2 c
k
1307
9 .6 1307 1650 cm 1 12 / 2
k
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
Eg: the C-H bond of the CH 4 , its fundamental position : 2960cm-1
（二）非谐振动
键力常数越大， 原子的相对原 子质量越小， 波数越大，频 率越大；
双原子分子光谱
双原子分子光谱分子的能量状态与原子的能量状态一样存在能级，而且分子能级发生跃迁时发射或吸收辐射。
然而分子同原子相比，由于它的结构和运动状态的复杂性，分子光谱比原子光谱复杂得多。
双原子分子光谱是较简单的分子光谱。
分子光谱随分子能级跃迁间隔的不同，可以出现在从紫外到微波的不同光谱区。
本实验的目的是通过拍摄双原子分子的电子一振动光谱，来了解分子光谱的特点，测量各顺序谱带组的带头波长，计算分子的振动频率ω、非筒谐性常数ωx 和分子振动力常数k 等。
【预习提要】双原子分子是结构较为简单的分子。
因而反映分子结构特征和举动状态的双原子分子光谱也是较简单的分子光谱。
用色散率不大的摄谱仪伯摄的双原子分子光谱呈现带状，实际上，它们是由大量的、密集的、分布有规律的谱线所组成的。
不同波段的谱线反映分子不同运动状态的能级跃迁。
1．双原子分子有哪些不同形式的能量，怎样利用“不确定性关系”说明不同形式的能级间隔之间的数量关系?2．用莫尔斯函数表示双原子分子的势阱时，分子振动能级间隔有什么特点?3．什么叫顺序带组，试说明相邻顺序谱组带头的波数差出现“突变”的能级结构的内在原因。
4．试判断(0，0)，(1，0)和(0，1)顺序带组列出b a ,或b a '',的测定方程和相应的正则方程。
5．利用近似的谐振子频率公式，求出分子振动力常数值。
【实验原理】一、双原子分子的结构与运动状态双原子分子是由两个原子核和电子相互结合而成的微观系统。
当两个原子相结合而构成一个双原子分子时，在每个原子内部构成完整壳层的电子仍然分别属于各自的原子核，而外层的价电子向对方原子核提供库仑引力，当两核过于靠近时产生斥力，从而使两个原子核相距一定地联系在一起构成稳定的结构。
分子具有三种基本运动：①外层价电子在两个原子核共同产生的电场中绕核间轴的运动，这种运动如同价电子在孤立的原子中运动一样形成各种不同的电子能量状态。
②双原子分子的原子核由于交替地受到来自对方价电子的引力和核的斥力，在平衡位置附近，带着其周围的电子沿核间轴方向振动，伸缩核间轴长短。
振动光谱
振动光谱\基本原理\分子振动模型
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4.1.1 光与分子的相互作用 光是一种波，可以使用波的基本公式：
振动光谱\基本原理\光与分子的相互作用
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振动吸收的条件
1 振动频率与红外光光谱段的某频率相等； 2 必须有偶极距的变化。
我们把产生红外辐射吸收的振动称为红外活性振动， 把不发生吸收红外辐射的振动称为非红外活性振动。
链接：偶极矩μ＝r×q。偶极距越大，键的极性越大。
振动光谱\红外光谱\红外光
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振动光谱
第四章振动光谱当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射分子吸收了某些频率的辐射，，其振动或转动运动引起偶极矩发生变化转动运动引起偶极矩发生变化。
由于分子的振动能量比转动能量大由于分子的振动能量比转动能量大，，当发生振动能级跃迁时发生振动能级跃迁时，，不可避免地伴随有转动能级的跃迁动能级的跃迁，，只能得到分子的振动只能得到分子的振动--转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱这种光谱称为红外吸收光谱。
案例1500100015002000250030003500400001020304050607080T r a n s m i t i v i t y -1图4-1 灼烧前Nd:YAG前驱体的红外光谱图案例2500100025003000350040002030405060708090100T r a n s m i t t i v i t y 图4-2灼烧后Nd:YAG前驱体的红外光谱图第一节振动光谱的基本原理1.1.光的二重性光的二重性普朗克公式普朗克公式：：E ＝h ν一、光与分子的相互作用波数即波长的倒数波数即波长的倒数，，表示单位(cm)长度光中所含光波的数目长度光中所含光波的数目。
波长或波数可以按下式互换波长或波数可以按下式互换：：( cm -1)=1/λ(cm)=104/λ(μm)在2.5μm 处，对应的波数值为对应的波数值为：：= 104/2.5 (cm -1)=4000cm -1ν_ν_（式4-1）图4-1能级跃迁示意图△E 1＝E 2-E 1=h ν1△E 2＝E 3-E 1=h ν22.2.原子或分子的能量组成原子或分子的能量组成分子的运动可分为移动分子的运动可分为移动、、转动转动、、振动和分子内的电子运动运动。
而每种运动状态又都属于一定的能级属于一定的能级。
分子总能量E ＝E 0＋E t ＋E r ＋E v ＋E e 图4-2双原子分子能级示意图（式4-3）红外光谱法的特点紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机化合物，特别是具有共轭体系的有机化合物；红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉曼变化的化合物光谱中出现）。
原子光谱与分子光谱
原子光谱和分子光谱
原子光谱反映原子或离子的性质而与原 子或离子来源的分子状态无关。确定试 样物质的元素组成和含量。不能给出物 质分子结构的信息。
原子光谱为线状光谱
原子光谱和分子光谱
一、原子光谱
（一）核外电子运动状态
原子核外电子的运动状态可以用主量子数、角量子数、磁量 子数、自旋量子数来描述。
1、n决定电子的能量和电子离核的远近。
取值：K、L、M、N。。。。
2、L决定角动量的大小及电子轨道的形状。
符号: s, p, d, f
L=0,1,2,3…..,(n-1)
3、磁量子数m决定磁场中电子轨道在空间的伸展的方向。
4、自旋量子数ms决定电子自旋的方向，顺磁场和逆磁场
ms=1/2,-1/2
原子光谱和分子光谱
➢拉曼光谱法 (RS) Raman Spectroscopy
➢*核磁共振波谱法(NMR) Nuclear Magnetic Resonance
Spectroscopy ➢*质谱法 (MS)
Mass Spectroscopy
联用技术发展很电子相对于原子核的运动--电子能级; （△E=1～２０ｅＶ,紫外、可见、近红外） 2.原子核在其平衡位置附近的相对振动--振动能级;
第二节 原子光谱和分子光谱
（二）光谱项 原子的能量状态需要用光谱项来表征。
N2s+1LJ 其中n为主量子数，L为总角量子数
L=∑Li S为总自旋量子数，S=Σms , I J内量子数，是由于轨道运动和自旋运动的相互作 用，即轨道磁距与自旋磁距的相互影响而得出的。
第二节 原子光谱和分子光谱
J=L+S
➢*红外吸收光谱法(IR) Infrared Spectroscopy
第21讲 分子的振动模型
因此，光子的能量 E 与相应的光的波长 成反比，而与波数 或频率 成正比。在红外光
谱图中都用波数 cm-1 标志，且有：
104 cm1 ( m)
2. 原子或分子的能量组成
分子的运动可分为移动、转动、振动和分子内的电子运动，而每种运动状态又都属于一定 的能级，故分子的总能量可表示为：
E E0 Et Er Ev Ee 式中 E0 为分子内在的能量，不随分子运动而改变，为固定值； 、 、 和 分别为分子
4.1.5 振动吸收的条件 分子的每一简正振动对应于一定的振动频率，在红外光谱中就可能出现该频率的谱带。但
是并不是每一种振动都对应有一条吸收谱带。分子吸收红外辐射必须满足两个条件。 ① 只有在振动过程中，偶极矩发生变化的那种振动方式才能吸收红外辐射，从而在 红外光谱中出现吸收谱带。这种振动方式称为红．外．活．性．的．。反之，在振动过程中 偶极矩不发生改变的振动方式是红．外．非．活．性．的．，虽有振动但不能吸收红外辐射。 已知分子在振动过程中，原子间的距离（键长）或夹角（键角）会发生变化，这时可能引
随着原子数目的增加，其振动方式也越复杂。
如同双原子分子一样，多原子分子的振动也可看成是许多被弹簧连接起来的小球构成体系 的振动。如果把每个原子看作是一个质点，则多原子分子的振动就是一个质点组的振动，要描 述多原子分子的各种可能的振动方式，必须确定各原子的相对位置。要确定一个质点（原子） 在空间的位置需要 3 个坐标（x,y,z），即每个原子的空间的运动有 3 个自由度。一个分子有 n 个原子，就需要 3n 个坐标确定所有原子的位置，也就是说一共有 3n 个自由度。但是，这些原 子是由化学键构成的一个整体分子，因此，还必须从分子的整体来考虑自由度，分子作为整体 有 3 个平动自由度和三个转动自由度，剩下 3n-6 个才是分子的振动自由度（直线性分子有 3n5 个振动自由度）。每个振动自由度相应于一个基本振动，n 原子组成一个分子(非线性分子)时， 共有 3n-6 个基本振动，这些基本振动称为分子的简正振动。
分子光谱
第九章分子光谱和分子结构前面我们从原子光谱、原子磁性了解了原子的结构，但在生产实践和生活中接触的物体极少是孤立的原子，往往是由原子结合而成的分子或分子集团，它是物质结构的一个重要层次．本章将简要介绍分子光谱和分子结构．§9.1 分子光谱和分子能级一、分子与化学键分子由原子组成，原子通过它们间的相互作用而结合在一起．而分子中相邻原子间存在的各种不同形式的相互作用称为化学键．化学键的力是电性质的，它只与原子的外层电子有关，与原子的内层电子关系较少．这是因为各元素的物理、化学性质的周期性由最外层电子的运动决定；而且较重元素的标识X射线不因该元素所在化合物而不同．内层电子在分子中和孤立原子中几乎一样，但价电子则大不相同．原子价电子间不同的结合会形成不同的化学键，常见的二类化学键是离子键和共价键，一般还有金属键和Van der Waals键． 1.离子键当电离能很小的金属原子(如碱金属和碱土金属原子价电子易脱落)和电子亲合能很大的非金属原子(如卤族原子和氧族非金属原子容易吸往电子)非常接近时，前者失去价电子而成为正离子，后者获得前者失去的电子而成为负离子，正负离子由于Coulomb力相互吸引结合成分子；但当二离子由于运动惯性而过分接近时，它们的外层电子相互排斥的力变得显著，表现为离子间的互斥力．当引力和斥力相等时，就形成稳定的分子．这种化学键称为离子键．如NaCl分子是由Na+离子与Cl-离子组成的离子键分子．Na是碱金属元素，具有较小的电离能5.14eV，电离过程为Na + 5.14eV →Na+ + e-Cl是卤族元素，Cl原子最外层在3p上有5个电子，再得到一个就构成稳定的闭合壳层，所以吸收一个电子形成Cl -离子是放能过程，这个能量称为亲合能，Cl-的亲合能为3.72eV ，此过程为Cl + e - →Cl - + 3.72eV上述两过程共增能5.14eV －3.72eV ＝1.42eV ．虽然Na 、Cl 原子形成Na +、Cl -离子后能量增加了，但当它们相互接近时，由于正负离子的电荷将引起Coulomb 吸引位能，因此Na +、Cl -离子体系能量有可能小于Na 、Cl 原子体系的能量．ٛ 图9-1中的两条曲线分别表示离子和原子体系的位能变化．选Na 原子和Cl 原子相距无穷远时的位能为零点能，横坐标表示两离子或原子间距离，可以看到当距离小于某一数值后，离子间的位能将小于原子间的位能．ٛNa +、Cl -离子体系的位能曲线有一极小值，这是由于距离小到一定值后，两带正电原子核的Coulomb 斥力位能迅速增加，距离越小，此能量越大．位能曲线最低点对应的距离以r 0表示，称平衡距离．如NaCl 分子的r 0=2.51Å，其位能为-3.58eV ．作用力方向总是指向位能减小的方向．当r ＞r 0时，位能曲线斜率为正，作用力使离子间距离减小，为吸引力；当r ＜r 0时，位能曲线斜率为负，作用力使距离增加，为斥力；当r = r 0时，位能曲线斜率为零，作用力亦为零，所以Na+、Cl-离子有可能在r 0附近振动，形成稳定的NaCl 分子．图9-1 NaCl分子的位能曲线2.共价键许多由两个相同原子组成的双原子分子和绝大多数有机化合物的分子不是由离子组成的，它们的化学键不再是离子键．它们有一对或多对电子为两个原子共有，内层电子仍然属于原来的原子．这类分子称为共价键分子或称原子键，同极键分子．如两个氢原子靠近时，每个氢原子中电子的状态都将重新分布，使系统处于能量最低的状态，这时两个电子起着连结两个原子的作用，为两个核所共有．从量子力学分析而知这一对组成共价键的电子自旋必是反平行的．一般地说，原子外层电子中，有未组成自旋相反的电子对的电子，就有可能与其它原子中未组成电子对的电子结合成共价键．如氢原子只有一个外层电子，显然在原子中不可能与其它电子组成自旋相反的电子对，这个电子就有可能与另一氢原子中同样的电子结合成共价键．锂原子有3个电子，而2s 态的外层电子未能与其它电子组成自旋相反的电子对，因此能与另一锂原子中的2s 电子组成共价单键，成为锂的双原子分子．如果两个原子各有两个或三个未成对的电子，则俩俩配对可构成共价双键或三键．共价键构成的分子可分为两类．第一类是无极分子，它由同类原子构成．如H 2、O 2等，分子内键电子分布对称，正负电荷“重心”重合，因而分子不具有电偶极矩．另一类是有极分子，由不同类原子组成．如HCl ，两种原子对电子的亲合力不同，分子内键电子的分布不对称，正负电荷“重心”不重合，分子具有电偶极矩． 图9-2 分子带光谱二、分子光谱原子光谱的特征是线状光谱，一个线系中各谱线间隔都较大，只在接近线系极限处越来越密，该处强度也较弱；若原子外层电子数目较少，谱线系也为数不多．分子光谱的一般分布如图9-2所示．许多谱线形成一段一段的密集区域成为连续带状，称为光谱带．所以分子光谱的特征是带光谱．它的波长分布范围很广，可出现在远红外区(波长是cm 或mm 数量级)、近红外区(波长是μm 数量级)、可见区和紫外区(波长约在10-1μm 数量级)．分子光谱一般具有如下规律：(1)由光谱线组成光谱带；(2)几个光谱带组成一个光谱带组；(3)几个光谱带组组成分子光谱．ٛ三、分子能级据实验观察，分子光谱是由远红外光谱、近红外光谱、可见光和紫外光谱交织在一起的光谱．而远红外光谱是由于分子转动能级的变化引起的；近红外光谱是分子既有振动能级又有转动能级改变时产生的；而可见光和紫外光谱是分子既有电子能级又有振动和转动能级变化时产生的．所以分子内部既有分子转动，又有分子的振动，还有分子中电子的运动．ٛ1.分子的转动和转动能级即将分子看作一个整体绕某轴而转动．对于双原子分子，其转动轴通过分子的质心并垂直于分子轴(原子核间的联线)．转动能量是量子化的，因而形成转动能级．转动能级的间隔约10-4～10-2eV．ٛ2.分子的振动和振动能级即组成分子的各原子在其平衡位置附近所做的微小振动．如双原子分子沿着轴线振动．与振动相联系的能量称为分子的振动能．振动能量也是量子化的，因而形成振动能级．振动能级间隔约10-1eV．3.分子中的电子运动和电子能级ٛ分子中外层电子的运动形成一些定态，电子在定态间跃迁运动．这些定态各具有一定能量，也就形成了电子的能级．当分子的电子能级间产生跃迁就产生光谱．电子能级间隔约为eV量级．ٛ若用E转、E振、E电分别代表上述三种运动状态的能量，分子能量可表示为E = E转 + E振 + E电(9-1)这三种能量的变化满足Δ>Δ>ΔE E E(9-2)振电转这样，在电子能级之上可以有较小间隔的振动能级；在振动能级之上又可以有更小间隔的转动能级．这些关系如图9-3所示，图中表示了振动能级和转动能级的特点，一组振动能级的间隔随能级的上升而减小；一组转动能级的间隔随着能级的上升而增加．由于分子能级的复杂结构，从而使分子光谱比原子光谱更复杂．图9-3 双原子分子能级示意图§9.2 分子的转动能级和转动光谱在辐射过程中，分子的电子状态和振动状态都没有改变，则辐射仅由分子的转动状态的改变而引起．由于△E 转ٛ最小，相应光子的能量很小，所产生的光谱一般在远红外区域．一、分子的转动能级假设分子是刚性分子．由于刚性分子不改变原子核间相对距离，所以它的转动是一个纯粹的转动，此简化模型忽略了振动对转动的影响．对双原子分子，其转动轴是通过质心而垂直于联接二原子核的直线的．分子的转动惯量ٛ (9-3) 2r I μ=其中1212m m m m μ=+是折合质量，r 是两原子核间的距离，如图9-4所示．对刚性分子r 是常数．若分子的转动角动量为P J ．据经典力学，分子的转动动能IP I E J J 22122==ω (9-4) 其中P J ＝I ω，因为转动是自由的，所以势能为零，而体系总能量就等于转动动能．分子是微观粒子，它的角动量是量子化的，即=)1(+=J J P J ⋅⋅⋅=，，，，3210J (9-5)图9-4 刚性双原子分子的转动 J 称为转动量子数．代入(9-4) 式可得转动能级)1(22+=J J I E J = (9-6)由此所得能级图如图9-5所示．相邻二转动能级的间距ٛ)1(21+=−=Δ+J J IE E E J J J = (9-7)图9-5 双原子分子转动能级 可见转动能级的分布不是等间距的，J 越大，间隔也越大．ٛٛ二、分子的转动光谱实验和理论都证明转动能级间的跃迁须服从电偶极跃迁选择定则ٛ 1±=ΔJ (9-8)ΔJ ＝＋1相当于吸收过程，ΔJ ＝-1相当于发射过程．当从能级J ＋1跃迁到能级J 的辐射频率12(1)2(14J J J J E E E h v J h h Iπ+)B J Δ−===+=+ (9-9)其中I hB 28π=称为转动常数.以波数表示2(1)Jv B J =+ B (9-10) 相邻二谱线间的波数差。
原子光谱与分子光谱
二、 分子光谱
原子光谱为线状光谱， 分子光谱为带状光谱； 为什么分子光谱为带状光谱？
原子光谱图
12:21:30
分子光谱图
1.分子中的能量
E=Ee+ Ev + Er + En + Et + Ei 分子中原子的核能： En 分子的平移能：Et 电子运动能： Ee 原子间相对振动能： Ev 分子转动能： Er 基团间的内旋能： Ei
12:21:30
原子的能级通常用光谱项符号表示：nMLJ
n：主量子数；M：谱线多重性符号；
L：总角量子数； J ：内量子数 钠原子的光谱项符号 32S1/2；
表示钠原子的电子处于n=3，M =2(S = 1/2)，L =0，
J = 1/2 的能级状态（基态能级）；
12:21:30
电子能级跃迁的选择定则
L=0，1，2，3，······， 例：碳原子，基态的电子层结构(1s)2(2s)2(2p)2， 两个外层2p电子： l 1= l2 =1； L=2，1，0；
12:21:30
总自旋量子数 ：
S =∑ s ；外层价电子自旋量子数的矢量和， (2 S +1)个 S=N/2，N/2-1，……或1/2，0 （N是价电子） S =0，±1，± 2，······±S或 S = 0 ，±1/2，3/2 ，······±S
在一般化学反应中， En不变； Et 、 Ei较小； E=Ee+ Ev + Er
分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率：
ν=ΔEe / h + ΔEv / h + ΔEr / h
12:21:30
2.双原子分子能级图
分子中价电子位于自旋成 对 的 单 重 基 态 S0 分 子 轨 道 上 ，当电子被激发到高能级上 时，若激发态与基态中的电 子自旋方向相反，称为单重 激发态，以S1 、 S2 、······表 示；反之，称为三重激发态 ，以T1 、 T2 、······表示；
双原子分子的电子光谱
J 0, 1, 2,
~P ~0 (BV 'BV '')J (BV 'BV '')J 2
J = 0，Q 支
J 1, 2,
~Q ~0 (BV 'BV '')J (BV 'BV '')J 2
J 0, 1, 2,
若没有 Q 支, 则 ~ ~0 谱带基线或零线的位置 上没有谱线出现。
(V ,V 1) e 2exe(V 1)
由这些波数差可以确定 e 和 exe的值。
在V前进带中，谱线的波数为：
~ [~e G(V '')] G(V ')
其中 [~e G(V '')] 为常数。 相邻谱线的波数差为：
(V 1,V ) e 2exe (V 1)
由定这 了些e波, 数ex差e,可以e和确定exee以和后e可xe以 的确值定。~在e 。确
(a) V=0
V=1 V=2 V=3
(b) V=2
V=1 V=3 V=0
(c)
V=3V=4
吸收带系中强度分布的三种典型的情形(示意图)
二、Franck-Condon原理波动力学表述 由总波函数和表征的两个态之间的跃迁几 率, 正比于跃迁矩矩阵元:
M ' '' (1)
电子振动波函数为：
e (r, R)V (R) eV (2)
一、前进带组（Progression）
V前进带组：
V
V= n 取一定
4 3
值，V不断变
2 1
化，构成一个
0
谱带，波长越
V
来越短，直到
4
3
双原子分子振动转动光谱
双原子分子振动转动光谱双原子分子振动转动光谱2010-05-10 16：35双原子分子通常同时具有振动和转动，振动能态改变时总伴随着转动能态的改变，产生的光谱称为振动-转动光谱，其波长范围一般位于红外区。
双原子分子的纯振动作为初步近似，可以先忽略双原子分子的转动，只考虑分子的振动。
实际分子的原子核振动不是严格的简谐振动。
采用非简谐振子模型，把质量为M1和M2的原子核相对振动视为具有折合质量的单一质点在平衡位置re附近作非简谐振动，这个质点处于分子的原子核的有效势能场(分子中电子能量与原子核库仑排斥势能之和)中。
势能函数包含偏离平衡位置的位移量的二次幂项和更高次幂项。
这时，分子的振动能级的能量值为相应的光谱项为式中h为普朗克常数，с为真空中光速，υ为振动量子数，为分子的经典振动频率，Ke为振动力常数。
式(2)中等号右边第一项是简谐振子的振动光谱项；其后各项是非简谐振动的修正项，wexe和weye为非简谐性常数。
通常可以忽略更小的高次项，但当光谱仪器分辨率很高时以及在激光光谱学研究中应予考虑。
分子的最低振动态(υ=0)的能量值E0不为零，称为零点能。
图1为双原子分子在电子基态下的振动能级示意图。
双原子分子的势能可以用经验公式表示，莫尔斯势能函数是广泛采用的一种形式。
如图1中实曲线所示。
式中De称为分子离解能，β是与电子态有关的参数。
取r=re处的势能U=0；当r→∞时，势能曲线趋于水平渐近线，这时分子被离解。
从势阱底部算起的离解能是De，从υ=0能级算起的离解能是D0(见分子的离解能)。
双原子分子的振动-转动同时考虑分子的振动和转动时，转动能量可以看成是振动能量的微扰。
按照转动振子模型，对给定非简谐振子势能曲线的确定电子态，振动-转动能级的能量值可用下式表示相应的光谱项为式中Bv、Dv是振动态υ的转动常数。
转动振子光谱项表示为非简谐振子振动光谱项G(υ)与转动光谱项Fv(J)之和，其中转动谱项不仅与转动量子数J有关，而且由于分子的振动-转动相互作用，还与振动量子数υ有关。
双原子分子振动光谱
m1m2 dx m1v1 m2v2 , v v2 v1 ; M m1 m2 , vc m1 m2 dt m1 m2
• 经典谐振子的能量：
1 2 1 2 E T V v kx 2 2
3. 量子力学处理
哈密顿算符： 薛定谔方程：
但室温下：
k ~ 207cm1
双原子分子的振动激发态能量比这大得多，例如
HCl :
~ ~ 2890 cm1
根据Boltzman分布律，大多数分子常温下处于振动基态:
n n0e
k
,Hale Waihona Puke 0 分子振动能级与吸收跃迁示意图
4 3 2 1 v=0
（高温下可能会出现）
ˆ1 v" v" 1 v',v"1 v',v"1 2 2
因此，选律为：
ˆ ˆ 1 0, v v'-v" 1 x 0
要求振动过程中偶极矩要发生变化；同核双原子分子因此 无纯振动光谱
5. 光谱频率（波数）
2 2 d 1 2 ˆ H kx 2 2 dx 2
ˆ x E x H
d 2 2 2 E kx 0 2 2 dx
引入参数与变量：
得到：
k
2 E , 2 ，q x
d 2 q 2 q q 0 2 dq
结果：
1 v v hc 2
v
1
k
2 c
,
1 2
k
v x ve
振动光谱-2a详解
V De (1 eq )2
De：势阱深度或称分子的光谱分解能 D0：热力学分解能（De减去零点能） ：阱底曲率 1 1 最后求出振动的能级公式： Ev he ( v ) he X e ( v )2
2
2
e：当化学键为平衡核间距时的振动频率 Xe: 第一非谐性常数
Ev he ( v 1 1 ) e X e ( v ) 2 2 2
1 1 e ( ) 2 2 2 2ure De re re 3 3e
D e ( e )1 / 2 2u
2 4 Be 2 h 2e
2 2 Be 2 I 2ure2
he Xe 4De
D
4
2 3 6 8 2e u re
采用刚性转子近似，略去转动修正项，能级 简化为：
例如, HCl的振转光谱如下:
P支
Q支
R支
振转光谱的应用
现在假定有两个跃迁：
(0, J) (1, J+1) R支
(0, J) (1, J-1) P支
相当于v=1振动内部J-1到J+1的纯转动跃迁，则 有： ~ ~
vR ( J ) vP ( J ) 2 B1(2 J 1)
以频率间隔对2J+1作图应为一直线，其斜率 就是 2 B1
二、振子模型
1.谐振子 谐振子模型：把振动中的双原子分子近似为一 个服从Hooke定律的弹簧相连的两个质量。 f = -kq f:弹簧的恢复力 k:力常数 q:r-re
体系的势能：
1 2 U fdq kqdq kq 2
体系的动能： 根据量子化学原理两个分子的运动可看作揖 个约化质量为u的粒子运动
2.非谐振子
谐振子的振动频率
对于分子（刚性转子）亦有：
J也为转动量 子数
M 2 J (J 1)2
J=0,1,2…
于是
R
1 2I
J (J
1)2
h2
8 2 I
J (J
1)
J=0,1,2…
J到J+1状态的能级差
E(J J 1) h2 (J 1)(J 2) J (J 1) h2 2(J 1)
总结：
转动光谱的条件： 1、偶极距不为零的双原子分子才有转动光谱如HCl。 2、符合转动光谱的选律△J=±1
14
§4.3 分子的振动光谱
﹛简谐振子模型
Ⅰ, 双原子分子的振动光谱
非谐振子模型
Ⅱ，双原子分子的振动-转动光谱 Ⅲ，多原子分子的振动光谱
15
一，双原子分子的振动光谱
由于分子中原子间的振动动和能原算子核的运动相联系， 需要用薛定谔方程描述。 符项
描述双原子分子的振动的薛定谔方程为：
[ h2
8 2
2
V ] N
E N
势能： V
原子振动的波函数： N
1，简谐振子模型
什么是谐振子？
分子 折 合质量
常把一个在平衡位置Req附近由于受到一个与位移（R-Req)成比
例的恢复力 f k(R Req) 的作用而往复振动的质点称之为谐振
说明：(只考虑吸收光谱)
J
J+2, J+3…是不可能的,只有J
J+1是可能的。
9
于是转动光谱各谱线的波数为：
v~(J J 1) E(J J 1) 2B(J 1)hc
hc
hc
2B(J 1)
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4
v'=1
3
2 1 J'=0
0
4
3
v"=0
2
1
J"=0
P QR
• 振—转光谱的应用 由振—转谱线的位置可以拟合出上、下振动态的有效转动常 数，进一步确定振—转耦合常数和转动常数以及力常数。
以基本谱带为例：
~ ~0 1 0 m 1 0 m2
~ 1, 0 , I r0
m 1,2,L
E0
1 2
hc~
1 4
hc~
v v1 v hc~ 2v 1hc~
与量子数v有关，能级间隔逐渐减小
3）选律修正 • 允许跃迁要求：
ˆ v'v" v' ˆ v" 0
• 对非谐项作为微扰处理，可得一级修正波函数,大致为：
v'
(0) v'
c' (0) 1 v'1
c' (0) 2 v'2
J" 0 J ' 0
由上页公式： ~ ~0 v'J 'J '1 v"J"J"1
对于P支：
J ' J "1 J " 1,2,L
则：
~ ~0 v' J"1J"v"J"J"1
故：
~ ~0 v' v" J"v' v" J"2
对于R支： 可得：
J ' J "1 J " 0,1,2,L ~R ~0 v' v"J"1 v' v"J"12
v
v
1 2
h
8 2r02
~0 ~ 2~ ~ k
作业
1、BH的近红外吸收谱带为 ~ 2319 v 49v 2, v 1, 2, 3,，试计
算BH的振动频率，非谐性常数，力常数和零点振动能。
2、已知H35Cl的振动频率 0 8.667 1013s，1 试求H37Cl的振动频率
离解能是指由稳定双原子分子分解成原子所需能量 AB→A+B
Morse势： V r De 1 e rr0 2
De — 势能曲线最低点 D0 — 从振动基态离解
振动能级间隔:
v v1 hc~ 2vhc~
当连续能级开始出现，表明粒子处于非束缚态解离
hc~ 2vhc~ 0
1
vmax 2
P支、R支的公式可合并写为：
~ ~0 v' v" m v' v" m2
m 1,2,L
HCl的红外吸收光谱（基本谱带）精细结构
A、谱带间隔不均匀，两头差别较明显 B、双峰：Cl的同位素效应：35Cl，37Cl
若电子态不是1 NO等分子：
P支： ~ ~0 v' v" J"v' v" J"2
• 振动谱的转动结构
若电子态为1, 选律为：
v v'v" 1, 2, J J 'J" 1
考虑吸收谱基本谱带（基频）的精细结构：
振动量子数： 转动量子数：
v" 0, v' 1
1 P支
J
J 'J"
1
R支
吸收红外基本谱带的转动跃迁示意图(1)
4
v'=1
3
2 1 J'=0
0
4
3
v"=0
2
1
J"=0
振动能级间的跃迁要求电偶极跃迁矩不为零：
ˆx
v'v"
v'
ˆx v"
0
电偶极矩算符可以按照核位移x进行展开：
其中：
ˆ ˆ 0 ˆ1x ˆ 2 x 2
ˆ1
ˆ
x
x0
,
ˆ2
2ˆ
x2
x0
,
...
由递推公式：
x v x
1
v
2
v1
x
v
2
1
v1
x
电偶极跃迁矩为(精确到一阶)：
ˆ
~
v'v"~
v'
1
2
v"
1
2
~
2 2
% v '% v 'v '1 % 1 v '1 %v '
% % v' %v'2 av' bv'2
基频（0→1）为最强的吸收：
%0 1 2 %~ %
第一泛频（0→2）为次强的吸收：
a ~ ~ b ~
%1 13 2%~ 2%
第二泛频（0→3）：
v ' v"
* v'
ˆ0
ˆ1x
...
v"dx
ˆ0
*
v'
v"dx
ˆ1
* v'
x
v"dx
ˆ1
v "
2
v
',v"1
v
" 2
1
v',v"1
因此，选律为：
ˆ1
ˆ
x
0
0,
v v'-v" 1
要求振动过程中偶极矩要发生变化；同核双原子分子因此 无纯振动光谱
5. 光谱频率（波数）
~
'"
v'
• 经典谐振子的能量： E T V 1 v2 1 kx2
2
2
3. 量子力学处理
哈密顿算符：
Hˆ 2 d 2 1 kx2
2 dx2 2
薛定谔方程： Hˆ x E x
d 2
dx2 h2
2E kx2
0
引入参数与变量：
k
h
,
2E
h2
，q
x
得到：
d 2 q
dq2
q2
q
0
结果：
v
1 hc~ v
2
1 2 hc~
2
J J
1hc
J 2J
12 hcD
v 1 J J 1hc
2
其中：Ｂ为转动常数； 为振—转作用常数（一般小于1 cm-1)。
引入有效转动常数 Bv （它与量子数v有关）：
v
v
1 2
h
8 2r02
v
h
8 2
1 r2
v
忽略离心畸变，则振转能级：
v
v
1 2
hc%
1x2
v x ve 2 v x
v 0,1, 2,L
% 1 k , k
2 c
h
1
1 2
v
2v v!
其中，%为经典振子的固有振动波数（特征波数）
H v
q
为v阶厄米多项式：
H0 (q) 1, H2 (q) 4q2 2, H4 (q) 16q4 48q2 12,
第21讲 双原子分子光谱（二）
振动光谱
1. 经验规律
例 HCl
经验公式
~ av bv2
v 1,2,3
a=2937.36 cm-1 b=51.60 cm-1
2. 谐振子模型
• 双原子分子的两个原子核在键轴方向做简谐振动
• 作用力与原子核相对于平衡位置的位移成正比
设平衡间距为re , 则弹性势能为
• Morse 经验势函数：
V
r
D
1
e r re
2
而谐振子势为抛物线，与实际势能函数有一定的差别。
• 一般地，势函数可在平衡位置附近展开为：
V
r
V
re
dV dr
re
r
re
1 2
d 2V dr 2
re
r
re
2
1 6
d 3V dr3
re
r
re 3
• 谐振子近似实际上是只考虑到势能展开第二项，非谐性修正
%2 1 4 3%~ 3%
7. 应用
1) 力常数
利用实验测得： a ~ ~,
b ~
力常数可通过特征频率得到
~ 1 k 2c
k 2c~2
力常数的大小近似反映了化学键的强弱，力常数越大，表明
原子间结合越强，相应的化学键越强
注意： ~0 ~,
不能简单地用基频代替特征频率计算力常数
2) 振动离解能
v,J
v
1 hc~ v
2
1
2
hc~x
J
J
2
1hcv
• 振-转跃迁选律 电子态为 ∑ （大多数双原子分子）
v v'v" 1, 2, J J 'J" 1
（与纯振动及纯转动的选律相同）
电子态为非∑：（少数双原子分子，如ＮＯ）
v v'v" 1, 2, J J 'J" 0, 1
k ~ 207cm1
双原子分子的振动激发态能量比这大得多，例如
HCl : ~ ~ 2890 cm1
根据Boltzman分布律，大多数分子常温下处于振动基态:
n n0e k ,
0
➢ 分子振动能级与吸收跃迁示意图
4 3 2 1
v=0
（高温下可能会出现）
g 对于v'' v'=0 v'的跃迁：
由：
vmax
1
2
平衡离解能为：
2