Главная - Радиоастрономия - Спектральные радиолинии молекул


Спектральные радиолинии молекул
Наука - Радиоастрономия

Двухатомные молекулы (CH, CH+, CN) были отождествлены в межзвездном газе еще в 1930-х гг. по межзвездным линиям поглощения в спектрах звезд в видимой и УФ-области. Эти линии представляют собой переходы между различными электронными состояниями молекул. С развитием радиоастрономии появилась возможность наблюдать другие типы молекулярных переходов в радиодиапазоне: вращательные, инверсионные и переходы между подуровнями L-удвоения.

Краткие сведения о молекулярных спектрах. Энергия молекулы E характеризуется суммой трех видов энергии:

где Eel – энергия электронной оболочки молекулы, Evib – энергия взаимных колебаний атомов, входящих в молекулу, Erot – энергия вращения молекулы как целого. Каждый электронный терм состоит из ряда колебательных термов, которые, в свою очередь, состоят из вращательных уровней энергии. В общем случае энергетический переход в молекуле может сопровождаться изменением всех трех видов энергии, т.е. переход происходит (с определенными правилами отбора) между отдельными электронно-колебательно-вращательными уровнями энергии. Возможны колебательно-вращательные переходы (без изменения электронного состояния) и чисто вращательные переходы, когда меняется только Erot, а Eel и Evib остаются без изменения. Переходы между электронными состояниями лежат в видимой и УФ-области спектра, между колебательными – в ближней ИК-области, между вращательными – в дальней ИК-области, в субмиллиметровом диапазоне и в радиодиапазоне.

Для радиоастрономии представляют интерес главным образом вращательные переходы, а также некоторые другие виды переходов: переходы между подуровнями L-удвоения (OH, CH) и инверсионные переходы (NH3). Рассмотрим эти виды переходов.

Вращательные спектры. Для двухатомных и линейных многоатомных молекул вращательные уровни энергии

I – момент инерции молекулы, B – вращательная постоянная (имеющая размерность частоты), J – вращательное квантовое число (J = 0, 1, 2, 3,…). Для двухатомной молекулы с массами ядер m1 и m2 и межъядерным расстоянием r12

Правило отбора для вращательных переходов . Соответственно, спектр будет состоять из равноотстоящих линий, частоты которых

J – квантовое число нижнего уровня перехода, а частоты получающихся линий nJ+1®J = 2B, 4B, 6B и т.д. Вращательная постоянная B обратно пропорциональна моменту инерции молекулы. Поэтому у легких молекул (типа гидридов – OH, CH) постоянная B велика, и первый вращательный переход попадает в субмиллиметровый диапазон. Так, у CH переход J = 1–0 имеет l = 559 мкм. У более тяжелой молекулы CO l(J = 1–0) = 2.6 мм. У линейных молекул типа цианоацетиленов переход J = 1–0 попадает уже в диапазон метровых волн: у молекулы HC11N (цианодекапентин)

H–CºC–CºC–CºC–CºC–CºC–CºN

B = 160 МГц. Весь вращательный спектр у таких молекул лежит в гораздо более длинноволновой области, чем у простых легких молекул.

Вращательный спектр многоатомных молекул гораздо сложнее, он определяется свойствами симметрии молекулы. Эти свойства описываются моментами инерции молекулы относительно оси симметрии молекулы I|| и в двух взаимно перпендикулярных направлениях I^1 и I^2.

В случае сферического волчка (метан CH4) все три момента инерции одинаковы: I|| = I^1 = I^2. У молекул типа сферического волчка вращательные переходы в дипольном приближении запрещены.

В случае симметричного волчка I^1 = I^2 = I^ ¹ I|| ; уровни энергии

J, K – вращательные квантовые числа, которые принимают значения:

Вращательные уровни обозначаются так: JK. Правила отбора для разрешенных переходов: DK = 0, DJ = 0, ±1. Для вытянутого симметричного волчка (I|| < I^) Erot растет с ростом K, для сплюснутого (I|| > I^) – уменьшается. Видно, что уровни имеют вырождение по K, т.к. Erot одинакова для уровней с K, равными по модулю, но имеющими противоположные знаки.

На практике ситуация симметричного волчка реализуется редко. Большинство многоатомных молекул имеет асимметрию моментов инерции (включая такие распространенные молекулы, как вода H2O и формальдегид H2CO). Асимметричный волчок характеризуется тремя вращательными постоянными:

У сплюснутого симметричного волчка k = 1, у вытянутого k = –1, у асимметричного –1 < k < 1. Уровни энергии асимметричной молекулы расщепляются, характер и величина расщепления зависят от k. На рис. 5.11 показана схема образования вращательных уровней асимметричного волчка из уровней вытянутого и сплюснутого волчков в зависимости от k. Возникающие уровни обозначают так:  или (чаще) , где K– и K+ – значения K для вытянутого и сплюснутого волчков соответственно.

L-удвоение. Встречается у двухатомных молекул только в некоторых электронных состояниях. Кратко рассмотрим систематику электронных термов двухатомных молекул. Как и в атомах, в молекулах состояние характеризуется суммой различных моментов (орбитального, спинового, ядерного, вращательного). При этом определяющим является порядок сложения моментов, который, в свою очередь, зависит от того, какие моменты сильнее взаимодействуют между собой.

Наиболее распространен так называемый тип связи a по Гунду. В этом случае орбитальный и спиновый моменты электронов слабо взаимодействуют: орбитальные моменты складываются независимо, а спиновые также независимо. Аналогичный вид связи в атоме называется LS-связью (или рассел-саундеровской связью). Однако, в отличие от атома, в двухатомной молекуле сохраняется не сам момент L, а его проекция на выделенное направление – ось молекулы. Проекция обозначается буквой L. По аналогии с атомными термами, электронные состояния с L = 0, 1, 2, 3,… обозначаются греческими буквами S, P, D, F,… Сохраняется и проекция полного спинового момента на ось молекулы S. Вводится также квантовое число для проекции полного момента W = |= L ± S. Полное обозначение терма молекулы: . Пример обозначения основного состояния молекулы OH с L = 1, S = ½, W = 3/2: 2P3/2.

Указывается также квантовое число полного момента J, равное сумме W и момента вращения молекулы как целого. Для OH, таким образом, самый нижний уровень 2P3/2, J = 3/2.

Вращательные уровни в состояниях с L ¹ 0 испытывают расщепление, связанное с двумя различными ориентациями электронного облака относительно оси вращения молекулы при одном и том же значении проекции L (см. рис. 5.12). Переходы между подуровнями L-удвоения попадают в радиодиапазон.

Большинство двухатомных молекул имеют основное электронное состояние типа S, для которого нет L-расщепления. В условиях межзвездной среды, где практически все атомы и молекулы находятся в основном состоянии, переходы в L-удвоении таких молекул наблюдаться не могут. Однако некоторые распространенные молекулы – свободные радикалы (OH, CH) имеют основное состояние типа P. Для них переходы L-удвоении оказываются наблюдаемыми в межзвездном газе.

У молекулы OH L-расщепление основного вращательного уровня основного электронно-колебательного состояния соответствует длине волны l = 18 см, у CH – l = 9 см. Подуровни L-удвоения имеют, кроме того, сверхтонкую структуру (аналогично атому водорода), благодаря взаимодействию спина электрона со спином протона (ядро кислорода 16O имеет нулевой спин и в образовании сверхтонкой структуры не участвует). Появляется еще одно квантовое число F = J ± I, I = ½ – спин протона. Итого получаем четыре подуровня, между которыми разрешены четыре электродипольных перехода с частотами n = 1612.231, 1665.402, 1667.359 и 1720.530 МГц (F = 1®2, 1®1, 2®2 и 2®1 соответственно, рис. 5.12). При равновесном распределении молекул по уровням и малой оптической толще в линиях отношение интенсивностей указанных линий 1:5:9:1. Линии 1665 и 1667 МГц называются главными, 1612 и 1720 МГц – сателлитными. Вероятности переходов A ~ 10–11 с–1. Статистические веса уровней gF = = 2F + 1, т.е. уровни вырождены; вырождение снимается в магнитном поле. Действительно, в линиях OH часто наблюдается эффект Зеемана. Переходы F = 2®1 внутри подуровней L-удвоения – магнитодипольные (меняется только магнитный момент молекулы за счет изменения ориентации спина протона), их частоты 53 МГц (нижний подуровень) и 55 МГц (верхний), а вероятности гораздо ниже. Эти переходы до сих пор не наблюдались.

Инверсионные переходы. Наблюдаются в некоторых молекулах типа симметричного волчка, пример – молекула аммиака NH3. Молекула представляет собой тетраэдр, в основании три атома H, в вершине – атом N, который может занимать два различных положения относительно плоскости водородных атомов. Это приводит к вырождению вращательных уровней молекулы. В невращающейся молекуле (J = K = 0) оба состояния полностью эквивалентны, но при вращении вырождение снимается, и уровни оказываются расщепленными надвое. Переходы между подуровнями соответствуют продавливанию атома N сквозь плоскость H – инверсии молекулы относительно этой плоскости, поэтому такие переходы называются инверсионными. Все инверсионные переходы NH3 с (J, K) в пределах от (1, 1) до (6, 6) имеют близкие частоты в диапазоне ll = 1.26–1.35 см.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Планеты соседи:

Наблюдение Венеры. Прохождение Венеры по диску Сол

News image

Найти Венеру на небе проще, чем любую другую планету. Ее пл...

Марс. Общие сведения

News image

Марс - четвертая планета Солнечной системы. По основным физическим характеристикам Ма...

Строение Солнца

News image

ЯДРО - где температура в центре равна 27 м...

Протуберанец

News image

Протуберанец (от лат. protubero — вздуваюсь) - термин, используемый для ра...

В космосе...

На Марсе найден след от астероида

News image

Американские специалисты обнаружили на Марсе вмятину огромного размера. Ранее она была скрыта огромной вулканической областью - нагорьем Фарсида . До настоящего мо...

На Марс отправятся живые организмы

News image

Первыми землянами , которые посетят спутник Марса на борту российской межпланетной станции Фобос-Грунт , станут микроскопические ракообразные, бактерии, гр...

Ученые выяснили, что в прошлом на Марсе выпадали росы и

News image

Новый анализ данных, собранных марсианскими зондами NASA Viking, Pathfinder, Spirit и Opportunity, подтверждает наличие в прошлом на красной планете о...

Далекий гамма-всплеск подтверждает правоту Эйнштейна

News image

Наблюдения удаленного гамма-всплеска подтвердили правомерность теории Эйнштейна. Ученые определяли задержку во времени пути фотонов различных энергий. В соответствии с некоторыми ал...

Авторизация



Новости космонавтики:

Охранное предприятие

News image

Если вы решили выбрать охранную компанию, чтобы защитить ваш дом либо бизнес необходимо очень внимательно оценивать работу каждой организации. Когда выбираете охранное агентство, получается, что ...

Стабилизированная роза в колбе

News image

Самым популярным подарком в 2017-м году стали живые розы, помещенные под стеклянную колбу. Сейчас мы немного расскажем, что такое стабилизированные цветы и в чем заключается их...

QIWI Кошелек

News image

В завершении 2007-го года на всех терминалах QIWI  решили запустить совершенно новый сервис, он получил название как «Личный кабинет», но со временем его переименовали и теперь ...

Дверной доводчик

News image

Устройство Такое устройство необходимо чтобы двери могли автоматически закрываться/открываться. Многие модели доводчиков это гидромеханическое устройство. Они представляют герметично закрытую коробку, она наполнена маслом и некоторыми ...