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1、1,原子物理学,物体一般是原子结合而成的分子或分子集团，或者是原子有规则地结成的晶体。为了能够了解原子物理的知识怎样用在更广的范围或更接近实际情况的问题，我们有必要讨论分子的结构。研究分子是化学和物理学的共同任务。在物理学中有许多方法可以对分子进行研究，例如可以利用X射线衍射、电子衍射、中子衍射对分子结构进行研究，也可以通过分子电偶极矩的测量进行研究。而分子光谱对分子结构提供了丰富而重要的资料，因此本章主要从分子光谱讨论分子结构。,第九章 分子结构与分子光谱,2,原子物理学,9.1 分子的键联原子由于相互结合力而构成分子。原子间有不同类型的结合，这称做化学键。现在知道有离子键、共价键、金属键，
2、此外还有一种较弱的范德瓦耳斯键。,第九章 分子结构与分子光谱,3,原子物理学,9.1 分子的键联,第九章 分子结构与分子光谱,4,原子物理学,9.1 分子的键联 一、离子键,第九章 分子结构与分子光谱,5,原子物理学,9.1 分子的键联 一、离子键,第九章 分子结构与分子光谱,6,原子物理学,9.1 分子的键联 一、离子键,第九章 分子结构与分子光谱,7,原子物理学,9.1 分子的键联 一、离子键,第九章 分子结构与分子光谱,8,原子物理学,9.1 分子的键联 二、共价键,第九章 分子结构与分子光谱,9,原子物理学,9.1 分子的键联 二、共价键,第九章 分子结构与分子光谱,10,原子物理学,
3、9.1 分子的键联 二、共价键 1、氢分子离子,第九章 分子结构与分子光谱,11,原子物理学,9.1 分子的键联 二、共价键 1、氢分子离子电子能量和原子核势能之和对原子核的运动来说，起着势能作用。这个“势能”随原子核距离的变化如果出现最低值，分子就能构成，如果没有最低值，分子就不能构成。分子中的电子可以处在激发态，这也可以由分离原子变到联合原子的相应激发态来考虑。同样也只有那些“势能”随原子核距离的变化具有最低值的才是分子的稳定状态。,第九章 分子结构与分子光谱,12,原子物理学,9.1 分子的键联 二、共价键 2、氢分子氢分子由两个氢原子构成，分离很远时是两个孤立的氢原子。如果再设想氢分子
4、中两个原子核合并为一个，这分子就成为一个氦原子，只是质量不同。我们同样可以把氢分子看作分离的两个氢原子和氦原子之间的状态。当两个氢原子接近时，原子核之间的库仑斥力就增大。二电子之间也有库仑斥力，这样就还需要考虑势能，势能随原子核距离的减小而增大。这个势能和上述电子能量相加后的数值就如图9.4所示。,第九章 分子结构与分子光谱,13,原子物理学,9.1 分子的键联 二、共价键 2、氢分子,第九章 分子结构与分子光谱,14,原子物理学,9.1 分子的键联 三、金属键这是金属中原子的结合情况，在金属中，原子核和它周围的束缚电子构成的离子好像浸没在自由电子“气”中。这样，在固体中就结合晶体。金属键不存
5、在于分立的分子中，像气体分子的情况。,第九章 分子结构与分子光谱,15,原子物理学,9.1 分子的键联 四、范德瓦耳斯键这是由于范德瓦耳斯力而产生的很弱的结合。上述三类化学键的结合能一般在15 电子伏特范围，而范德瓦耳键的结合能只有0.01到0.1电子伏特那么一个数量。这种结合的原子平衡距离也比较大一些。是这类结合的例子.在有些高分子中也存在着这类键。以上简单地叙述了原子结成分子的几种方式。,第九章 分子结构与分子光谱,16,原子物理学,9.2 分子光谱和分子能级从分子的光谱可以研究分子的结构，分子光谱比原子光谱要复杂得多。就波长的范围说，分子光谱可以有如下三类别。 一、分子光谱的类别 （1）
6、远红外光谱，波长是厘米或毫米的数量级。 （2）近红外光谱，波长是微米的数量级。 （3）可见和紫外光谱，这往往是一个复杂的光谱体系。分子所以产生复杂的光谱，是由于它内部复杂的运动状态。,第九章 分子结构与分子光谱,17,原子物理学,9.2 分子光谱和分子能级 二、分子内部的运动状态及能级分类 1、分子的电子运动状态和电子能级在分子中有两个或两个以上的原子核，电子在这样一个电场中运动。在分子中的电子运动，正如原子中的电子运动，也形成不同的状态，每一状态具有一定的能量。分子的电子态能级之差同原子能级之差相仿。如果分子的电子能级之间有跃迁，产生的光谱一般在可见和紫外区域。,第九章 分子结构与分子光谱,
7、18,原子物理学,9.2 分子光谱和分子能级 二、分子内部的运动状态及能级分类 2、构成分子的诸原子之间的振动和振动能级这也就是原子核带同周围的电子的振动，在9.1 节已经提到双原子分子沿着轴线振动。多原子分子的振动就比较复杂，是多种振动方式的叠加。振动的能量是量子化的，振动能级的间隔比电子能级的间隔小。如果只有振动能级的跃迁，而没有电子能级的跃迁，所产生的光谱是在近红外区，波长是几个微米的数量级。,第九章 分子结构与分子光谱,19,原子物理学,9.2 分子光谱和分子能级 二、分子内部的运动状态及能级分类 3、分子的转动和转动能级这是分子的整体转动，对双原子分子要考虑的转动是转动轴通过分子质量
8、中心并垂直于分子轴(原子核间的联线)的转动。对多原子分子的转动，如果分子的对称性高，也可以进行研究。转动能量也是量子化的，但比前二种能量要小得多，转动能级的间隔只相当于波长是毫米或厘米的数量级。,第九章 分子结构与分子光谱,20,原子物理学,9.2 分子光谱和分子能级 三、分子的能量,第九章 分子结构与分子光谱,21,原子物理学,9.2 分子光谱和分子能级 四、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。图9.6是分子光谱照片。,第九章 分子结构与分子光谱,22,原子物理学,9.2 分子光谱和分子能级 四、振动能级和转动能级的特点由
9、此可知，上文所说分子的远红外光谱是只有转动能量改变所产生的光谱，所以又称为纯转动光谱。分子的近红外光谱是既有振动又有转动能量的改变所产生的光谱。一对振动能级之间的跃迁所产生的光谱，由于有转动能级的跃迁，是一个光谱带，这就是一组很密集的光谱线。分子的电子能级如果有改变，所发的光谱一般落在可见或紫外区域，而每一个电子能级上还有振动能级，因此一对电子能级之间的跃迁就包含不同振动能级的跃迁，因而会产生很多光谱带，形成一个光谱带系。带状是分子光谱的特点。从外形说，这类光谱称作带状光谱。图9.6是分子光谱照片。,第九章 分子结构与分子光谱,23,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态在分子中，每个原子内部
10、构成完整壳层的电子仍分属于各原子，外层电子却在联合的电场中运动。分子的电子态决定于这些外层电子。,第九章 分子结构与分子光谱,24,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态,第九章 分子结构与分子光谱,25,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态,第九章 分子结构与分子光谱,26,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态,第九章 分子结构与分子光谱,27,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态 二、电子自旋,第九章 分子结构与分子光谱,28,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态 二、电子自旋,第九章 分子结构与分子光谱,29,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态 三、分子总角动量，多重态,第九
11、章 分子结构与分子光谱,30,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态 三、分子总角动量，多重态,第九章 分子结构与分子光谱,31,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态 三、分子总角动量，多重态,第九章 分子结构与分子光谱,32,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态 三、分子总角动量，多重态 3、多重态,第九章 分子结构与分子光谱,33,原子物理学,9.3 双原子分子的电子态 三、分子总角动量，多重态 3、多重态,第九章 分子结构与分子光谱,34,原子物理学,第九章 分子结构与分子光谱,35,原子物理学,第九章 分子结构与分子光谱,36,原子物理学,9.4 双原子分子的振动光谱现在讨论双原子
12、分子 的振动。以前谈到双原子 分子的势能和图9.7所示。 如果这是分子基态的势能 曲线，我们可以把最低势 能也就是平衡距离的势能 定为零，如图所示。,第九章 分子结构与分子光谱,37,原子物理学,9.4 双原子分子的振动光谱,第九章 分子结构与分子光谱,38,原子物理学,9.4 双原子分子的振动光谱,第九章 分子结构与分子光谱,39,原子物理学,9.4 双原子分子的振动光谱按(2)式，振动能级是等间距的，如图9.8所示。（3）式代表的的实际能级不是等距离的，如图9.9所示。注意，按照量子力学，最低的振动能级（v=0)的能量不等于零。也就是说，振子不会停止振动。现在考虑两种振动光谱：（1）纯振动
13、光谱，（2）有电子跃迁的胯动光谱。,第九章 分子结构与分子光谱,40,原子物理学,9.4 双原子分子的振动光谱 一、纯振动光谱,第九章 分子结构与分子光谱,41,原子物理学,9.4 双原子分子的振动光谱 一、纯振动光谱CO在红外部分有=4.67微米、2.35微米、1.58微米等光谱带，这三个数值的倒数的比值近似地是123。HCl在红外部分有一个=3.46微米的带，这些都是振动谱带。这些是光谱带，不是一条线。相当于一对振动能级之间的跃迁，还有许多可能的转动能级的跃迁，因而出现了一组线，形成一个带。现在从振动能级跃迁得到的波长只代表谱带基线的位置。,第九章 分子结构与分子光谱,42,原子物理学,9
14、.4 双原子分子的振动光谱 二、有电子跃迁的振动光谱 如果有电子态的跃迁，那是 涉及两个不同势能曲线的问 题。两个态的力常数k是不 相同的，因而它们的a也不同， b也不同。设有二电子能级如 图9.10所示，,第九章 分子结构与分子光谱,43,原子物理学,9.4 双原子分子的振动光谱 二、有电子跃迁的振动光谱 由图得,第九章 分子结构与分子光谱,44,原子物理学,9.4 双原子分子的振动光谱 二、有电子跃迁的振动光谱,第九章 分子结构与分子光谱,45,原子物理学,9.4 双原子分子的振动光谱 二、有电子跃迁的振动光谱,第九章 分子结构与分子光谱,46,原子物理学,第九章 分子结构与分子光谱,47
15、,原子物理学,第九章 分子结构与分子光谱,48,原子物理学,9.5 双原子分子光谱的转动结构和分子常数的测定 一、双原子分子的转动能量 远红外光谱和微波谱分子有转动。双原子分子的转动轴是通过质心而垂直于连接二原子核的直线的。按照经典力学，转动的动能是,第九章 分子结构与分子光谱,49,原子物理学,9.5 双原子分子光谱的转动结构和分子常数的测定 一、双原子分子的转动能量 远红外光谱和微波谱,第九章 分子结构与分子光谱,50,原子物理学,9.5 双原子分子光谱的转动结构和分子常数的测定 一、双原子分子的转动能量 远红外光谱和微波谱,第九章 分子结构与分子光谱,51,原子物理学,9.5 双原子分子
16、光谱的转动结构和分子常数的测定 一、双原子分子的转动能量 远红外光谱和微波谱,第九章 分子结构与分子光谱,52,原子物理学,9.5 双原子分子光谱的转动结构和分子常数的测定 一、双原子分子的转动能量 远红外光谱和微波谱,第九章 分子结构与分子光谱,53,原子物理学,9.5 双原子分子光谱的转动结构和分子常数的测定 一、双原子分子的转动能量 远红外光谱和微波谱,第九章 分子结构与分子光谱,54,原子物理学,9.5 双原子分子光谱的转动结构和分子常数的测定 一、双原子分子的转动能量 远红外光谱和微波谱,第九章 分子结构与分子光谱,55,原子物理学,9.5 双原子分子光谱的转动结构和分子常数的测定 一、双原子分子的转动能量 远红外光谱和微波谱,
