Modern Fizik · 9. Ünite: Molekül ve Katıhal Fiziği

Moleküler Spektrumlar

Moleküller yalnızca elektronik geçişlerle değil, dönme ve titreşim hareketlerinin nicemlenmiş enerji düzeyleriyle de ışıkla etkileşir. Bu konuda rijit rotor ve harmonik osilatör modellerinden dönme ($\sim 10^{-3}$ eV, mikrodalga) ve titreşim ($\sim 0.1$ eV, kızılötesi) spektrumlarını türetecek, seçim kurallarını, ro-vibrasyon bandının P ve R dallarını, izotop kaymasını ve Raman spektroskopisinin ana hatlarını CO ve HCl örnekleriyle çözeceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Üç Enerji Ölçeği ve Born-Oppenheimer Yaklaşımı

  2. Dönme Spektrumu: Rijit Rotor

  3. Titreşim Spektrumu: Harmonik Osilatör

  4. Ro-vibrasyon Spektrumu: P ve R Dalları

  5. İzotop Kayması ve Raman Spektroskopisi

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Sınır Durumları ve Simülasyon Yönlendirmesi

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Dönme sabiti ($B$)
$B=h/(8\pi^2cI)$; cm⁻¹ biriminde, rijit rotorun $J(J+1)$ ile çarpılan enerji ölçeği.
İndirgenmiş kütle ($\mu$)
İki cisimli sistemi tek cisme indirgeyen kütle, $\mu=m_1m_2/(m_1+m_2)$.
Rijit rotor
Atomlar arası uzaklığı sabit kabul eden dambıl modeli; $E_J=\hbar^2J(J+1)/2I$.
Seçim kuralı
İki düzey arasında elektrik dipol geçişinin izinli olduğu kuantum sayısı değişimleri; dönme için $\Delta J=\pm1$, titreşim için $\Delta v=\pm1$.
Sıfır nokta enerjisi
Harmonik osilatörün en düşük düzeyinin enerjisi, $\tfrac12\hbar\omega$.
Ro-vibrasyon bandı
Titreşim geçişine eşlik eden dönme değişimlerinden oluşan R ($\Delta J=+1$) ve P ($\Delta J=-1$) çizgi dizisi.
Band merkezi ($\tilde\nu_0$)
P ve R dalları arasındaki $4B$ boşluğunun ortası; saf titreşim geçişinin dalga sayısı.
İzotop kayması
İndirgenmiş kütle değişimiyle $B\propto1/\mu$ ve $\tilde\nu\propto\mu^{-1/2}$ olarak ortaya çıkan spektral kayma.
Raman saçılması
Işığın molekülün kutuplanabilirliği üzerinden enerji alışverişiyle saçılması; $\Delta J=0,\pm2$ ve $\Delta v=\pm1$.
Kutuplanabilirlik ($\alpha$)
Elektrik alanın molekülde indüklediği dipol momentin alana oranı; Raman aktifliğinin ölçütü.

Örnek soru

CO için dönme sabiti $B=1.93\,\text{cm}^{-1}$'dir. Saf dönme soğurma spektrumunda ardışık çizgiler arasındaki aralık kaç cm⁻¹'dir?

  1. $3.86\,\text{cm}^{-1}$
  2. $0.97\,\text{cm}^{-1}$
  3. $1.93\,\text{cm}^{-1}$
  4. $5.79\,\text{cm}^{-1}$
  5. $7.72\,\text{cm}^{-1}$

Doğru cevap: A

Çözüm

1. $\tilde\nu(J\to J+1)=2B(J+1)$ olduğundan ardışık çizgiler arası fark $2B$'dir.
2. $2B=2\times1.93=\mathbf{3.86\,cm^{-1}}$.
$1.93$ aralığı $B$ sanmanın, $0.97$ ise $B/2$ yazmanın, $7.72$ Raman aralığının ($4B$), $5.79$ ise $3B$'nin sonucudur. Aralık düzey enerjisi $B$'den değil, komşu düzeylerin farkı $2B(J+1)$'den gelir.

Modern Fizik: tüm konular