Молекулярная спектроскопия

Моя основная деятельность связана с разделом науки, называемым молекулярной спектроскопией. Ниже дано краткое разъяснение того, что такое молекулярная спектроскопия.

Молекулы, которые являются объектом исследований молекулярной спектроскопии, как известно, это очень маленькие составные частицы, которые проявляют химические свойства. Они состоят из более мелких частиц, - атомов, а те в свою очередь из еще более мелких, - электронов и ядер. Количество различных типов молекул, наверное, бесконечно, так как из бесконечно возможного числа кубиков можно составить бесконечное число комбинаций. Самые простые молекулы содержат всего два атома. В зависимости от окружающих условий, молекулы могут существовать сами по себе, а могут сцепляться друг с другом, образуя жидкости и твердые тела. Важно отметить, что составные части молекул несут электрический заряд, который заставляет молекулы реагировать на внешние электромагнитные поля или, как говорят, взаимодействовать с ними. Молекулярная спектроскопия как раз и изучает различные аспекты такого взаимодействия. Это ее одна из основных задач.

В связи с этим следует сказать несколько слов об электромагнитном поле. Хорошо известно, что электромагнитное поле представляет собой некую субстанцию, которая не имеет массы и которая все время движется, причем в свободном пространстве распространяется всегда со скоростью 300000 км/c, скоростью света. Поле обладает энергией, оно никогда не локализуется в одну точку, и в любом месте пространства циклически изменяет свое состояние. Электромагнитное поле часто называют электромагнитной волной. Это связано с тем, что если поле колеблется с частотой nu, и при этом не стоит на месте, то оно действительно есть пространственная волна с расстоянием между гребнями

length of elctromagnetic wave

где c –скорость света.

В названии полей часто фигурирует длина волны. Например, миллиметровые, метровые, сантиметровые волны. Для очень коротких длин волн отсчет ведется от световых волн, длина которых порядка 10-6 м. Более длинные, чем световые волны, называются инфракрасными, а ближайшие к ним более короткие, - ультрафиолетовыми.

Электромагнитных полей с различными пространственными и временными характеристиками в природе существует сколь угодно много. Человечество научилось для своих нужд искусственно создавать электромагнитные поля с нужными свойствами.

Так вот, как было замечено выше, если молекулу поместить в электромагнитное поле, то эти две сущности, молекула и поле, начнут оказывать влияние друг на друга, или, как говорят, взаимодействовать.

Простейший пример проявления взаимодействия заключается в том, что если электромагнитную волну пропускать через среду, состоящую из молекул, то волна начнет при своем прохождении терять энергию, то есть поглощаться. Особенно интересным с точки зрения спектроскопии является тот факт, что величина поглощения не одинакова для электромагнитных волн разной частоты. На рисунке ниже приведена зависимость поглощения от частоты, зарегистрированная в инфракрасном диапазоне для молекул H13COOH, находящихся в газообразном состоянии.

Snippet of IR specta of H13COOH

Вертикальные линии отражают местоположение точек на частотной шкале, в которых потери энергии поля резко возрастают. Высота линий характеризует относительную долю потерь. Эти линии называются линиями поглощения, а вся наблюдаемая совокупность линий называется спектром молекулы.

Спектр молекул простирается в широком диапазоне частот от сантиметрового диапазона до ультрафиолетового. Он может состоять из десятков и сотен тысяч линий. Очень важно отметить, что молекулы разного химического состава и внутреннего строения имеют абсолютно разные спектры. То есть структура спектра однозначно определяется строением молекулы или, можно сказать по-другому, в спектре заложена абсолютно полная информация о самой молекуле: количестве атомов и их типе, их расположении друг относительно друга и силах, связывающих атомы в единое целое, молекулу.

Молекулярная спектроскопия ставит перед собой и решает следующие задачи:

  • а) регистрацию спектров, измерение частот, ширин и форм линий поглощения;
  • б) объяснение структуры спектров;
  • в) количественный расчет спектров;
  • г) извлечение информации о самой молекуле из ее спектра;
  • д) использование спектров для решения научных и прикладных проблем;

Исходя из решаемых задач молекулярную спектроскопию можно условно разделить на три составляющие: экспериментальная, теоретическая и прикладная.

Нужно отметить, что молекулярная спектроскопия это раздел более широкой области, называемой просто спектроскопией. Но, не смотря на это, сама она охватывает настолько широкий объем направлений и знаний, который может быть посилен только большому количеству исследователей. Так, к примеру, есть специалисты, которые работают только в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах, где находятся так называемые электронные спектры молекул, есть другие, которые изучают только колебательные спектры, занимающие инфракрасный диапазон длин волн, или вращательные спектры, расположенные в миллиметровом и сантиметровом диапазонах. Часто, люди из разных подразделов молекулярной спектроскопии не знают, что делают другие а, встречаясь, не понимают друг друга.

В следующих разделах я попытаюсь описать то, чем конкретно занимался я.