Элементарные основы молекулярной спектроскопии

Движение молекул и их отдельных частей в силу своих малых размеров подчиняется законам не классической, а квантовой механики. Это непосредственно отражается в спектрах молекул. Спектры имеют вид гребенки, состоящей из отдельных линий поглощения. Поглощение молекулой энергии электромагнитного поля должно приводить к увеличению энергии самой молекулы. То есть происходит своеобразная перекачка энергии от поля к молекуле.

Классическая механика дает объяснение этому процессу, предполагая, что молекула состоит из осцилляторов (механических систем, совершающих колебания с определенными собственными частотами). При поглощении молекулой энергии поля на какой-либо частоте амплитуда колебаний, а значит и энергия, соответствующего осциллятора увеличивается. Из теории колебаний хорошо известно, что эффективно раскачать осциллятор может только внешняя сила, которая сама изменяется во времени с частотой, равной собственной частоте соответствующего осциллятора. К примеру, если вы раскачиваете качели, то толкаете их в строго определенные моменты времени, а не хаотично. Таким образом, классическая механика дает объяснение линейчатости молекулярных спектров: электромагнитное поле, являющееся внешней силой, должно иметь ту же частоту, что и один из внутренних молекулярных осцилляторов. А так как молекула имеет большое число различных осцилляторов, то в спектре появляется множество линий с разными частотами. Этот подход дает качественное объяснение природы спектров, однако неспособен объяснить и количественно предсказать местоположение линий на частотной шкале.

Квантовая механика предлагает для объяснения совершенно иное физическое описание, которое естественным образом приводит к существованию одиночных линий поглощения, и самое главное, количественные расчеты дают точное предсказание структуры спектра. С точки зрения квантовой механики внутренняя энергия молекулы не может иметь произвольные значения, как это имеет место в классической механике. Молекула может обладать только определенным дискретным набором энергий. Это означает, что если осциллятор подчиняется законам квантовой механики, то амплитуда его колебаний не может быть произвольной. О возможных значениях энергии молекулы принято говорить как об ее уровнях энергии. Часто при объяснении процессов взаимодействия квантовых систем и электромагнитного поля удобно пользоваться графическим изображением системы уровней энергии, называемой энергетической диаграммой. На вертикальной оси откладывается энергия, на горизонтальной либо ничего, либо некоторые дополнительные величины, от которых зависит энергия. Пример диаграммы дискретных уровней энергии показан на рис.