بحث في عنوان الطيف الجزيئي

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

بحث في عنوان الطيف الجزيئي

مقدمة

فلقد حظي علم المطيافية باهتمام متزايد في السنوات الاخيرة من قبل الكيميائين وأصبح بالإمكان الحصول على معلومات دقيقة حول التركيب الالكتروني والجزيئي للمركبات الكيميائية بالاضافة الى تطبيقات علم المطيافية في مختلف فروع الكيمياء مما يجعل فهم المطيافية ضروريا للعديد من الدراسات الكيميائية .

يعني علم المطيافية بالتأثيرات المتبادلة بين المادة والاشعاع كما ان كافة الاطياف تنشأ عن انتقالات بين حالات طاقة معينة فبالنسبة للمطيافية الجزيئية ( تنتاول مطيافية الجزئيات ) تؤدي هذه الانتقالات الى تغير في الطاقة الداخلية للجزيئة عند امتصاص او انبعاث الاشعاع الكهرومغناطيسي والذي يحدث بكميات محدودة او مكماة : ان تردد الاشعاع المنبعث او الممتص من قبل المادة يخضع الى علاقة بلانك

يشمل التحليل الطيفي إنتقال الذرات او الجزئيات من حالة طاقة إلى حالة طاقة آخرى نتيجة لامتصاص أو انبعاث فوتون من الاشعة الكهرومغناطيسية . فالطيف الخطي للذرات يرجع الى الانتقالات الالكترونية بين مستويات الطاقة المختلفة التي تحكم بقواعد الاختيار . والطيف الذري قد اعطى قوة دافعة لتطور نظرية الكم
والطيف الذري قد اعطى قوة دافعة لتطور نظرية الكم كما انه استخدم كمعيار لقياس نجاح النظرية او فشلها
فان التركيب الالكتروني للجزئيات يكون اكثر تعقيدا ويختلف عن ذلك الخاص بالذرات بالاضافة الى ذلك فان الحركات الدورانية والاهتزازية للانوية تشارك في الطاقة الجزئية . الطيف الجزيئي اكثر تعقيدا عن الطيف الخطي البسيط للذرات ومع ذلك فإن تفسير الطيف الجزيئي يعتبر امر جدير بالاهتمام بسبب غزراة المعلومات التي يمكن الحصول عليها
فمعظم معلوماتنا التجريبية عن التركيب الالكتروني والمسافات بين والترددات الاهتزازية والخواص الأخرى المهمة للجزئيات قد أ شتقت من البيانات الطيفية وايضا الى جانب التقدير الكمي للجزئيات

ن الاطياف الذرية تتالف من خطوط طيفية ناتجة من انتقالات الكترونية بين مستويات الطاقة الالكترونية للذرة غير ان الاطياف الجزيئية تظهر كحزم عريضة تظهر عند تحليلها بدقة كمجموعة من الخطوط الطيفية الناتجة عن عدد من الانتقالات ، لذا فان الخط الطيفي ينشأ عن انتقال واحد في حين تكون الحزمة الطيفية ناتجة عن عدد كبير من الانتقالات . هنا تجدر الاشارة الى ان عرض الخط الطيفي ( (( Spectral line width) ) لانتقال ما ناتج عن عوامل ثلاثة هي :

أولا : الاتساع الطبيعي ( (( Spectral line width) )

يحدث الاتساع الطبيعي في مستويات الطاقة وذلك لان طاقة أي حالة من حالات النظام تخضع حسب مبدأ هايزنبرغ في اللاتحديد الى شك او لادقة مقدارها E∂ وتعطى بدلاله العلاقة

تشير المعادلة 3 الى أنه كلما ازاداد زمن بقاء الجزيئية في مستوى طاقة معينة امكن تحديد طاقته بدقة اكبر ، لذا فان طاقة الحالة الدنيا للجزيئية يمكن تحديدها عادة بدقة عالية اذا ان الجزيئة تبقى معظم الوقت في حالة الطاقة الدنيا ( اللادقة في الزمن ∂t كبيرة ) غير ان الحالات المثارة تكون عادة اقل استقرار وان الجزيئة لاتبقى في هذه الحالات الا لفترات زمنية قصيرة جدا قد تصل في بعض الاحيان الى 10-9sec لذا فان الشك ( او اللادقة ) في كافة الحالات المثارة يكون اكبر منه في طاقة الحالة الدنيا . وينتج عن ذلك مايسمى بالاتساع الطبيعي للخطوط الطيفية ويعتمد ذلك على الاستقرارية النسبية للحالة الدنيا والحالات المثارة.
الاتساع بالتصادم ( collision broadening )

وهذا ناتج عن الحركة المستمرة لجزيئات المادة اذا ان الجزيئات تصطدم بعضها بعض ويزداد ذلك بارتفاع درجة الحرارة ممايؤدي الى تغيير في مستويات الطاقة الجزيئية وبالأخص مستويات الطاقة الدورانية والاهتزازية ، هنا تجدر الاشاره الى ان التصادم في الحالة السائلة يكون اكثر مما في الحالة الغازية لذا فان اطياف الغازات تكون عادة اكثر حدة ( sharper) واقل اتساعا من اطياف السوائل .

ثالثا : اتساع دوبلر ( Doppler broadening)

وهي ظاهرة عامة تنتج عندما يتحرك مصدر الاشعاع نسبة لجهاز القياس اذا ينتج عن ذلك ازاحة لتردد الاشعاع المقاس وتحدث هذه الظاهرة مع موجات الصوت ايضا فإذا كان مصدر الصوت متحركا فاننا لانسمع الصوت واضحا بل مشوشا كنتيجة لاتساع تردد الصوت .

ولما كانت جزئيات المادة ( السوائل والغازات ) والتي يمكن اعتبارها مصادر للاشعاع المنبعث او الممتص ، تتحرك بصورة عشوائية نسبة لجهاز القياس فان تردد الاشعاع يخضع الى ازاحة ايجايبة وسلبية ممايؤدي الى اتساع الخطوط الطيفية .

هنالك انواع عديدة من حالات الطاقة للجزئيات تشمل مستويات الطاقة الدورانية ، مستويات الطاقة الاهتزازية ، ومستويات الطاقة الالكترونية للجزيئة ، اذ يمكن كتابة طاقة الجزئية بصورة تقريبة كاالاتي :

ان فصل مكونات الطاقة كما في المعادلة 4 ماهو الا صورة تقريبة لواقع بالغ التعقيد اذ ان فصل مستويات الطاقة الالكترونية يتم تطبيق تقريب بورن – اوبنهايمر كما ان الحركة الدورانية لجزيئة مايصاحبها عادة حركة اهتزازية تنشأ عن حركة الذرات بفعل قوى النبذ اللامركزي الناتجة عن الحركة الدورانية للجزئية .
لقد دلت التجارب العلمية في هذا المجال على ان اغلب الانتقالات الالكترونية للجزئيات يصاحبها أيضا تغير في مستويات الطاقة الاهتزازية ممايؤدي إلى ظهور حزم عريضة . كذلك فان الاطياف الاهتزازية يصاحبها تغير في مستويات الطاقة الدورانية اذ لايمكن في كثير من الاحيان فصل الاطياف الدورانية من الاطياف الاهتزازية . ان فروق مستويات الطاقة الالكترونية تكون اكبر بكثير من مستويات الطاقة الدورانية

يوضح الجدول أنواع الطيف الجزيئي المهمة للكيميائين . وبالمقارنة بالطيف الذري الذي يتألف من خطوط حادة ، فإن الطيف الجزيئي يظهر في صورة حزم bands والتي في بعض الاحيان يمكن مشاهدة خطوط طيفية متراصة بكثافة داخل الحزم باستخدام قوة فصل عالية

جدول يوضح أنواع الاطياف الجزيئية

إن مستويات الطاقة المسئولة عن الطيف الذري هي الحالات المختلفة المسموح بها لمدرات الالكترونات . وبالمثل فإن امتصاص أو انبعاث الطاقة في الجزئ يمكن أن تحدث نتيجة للانتقالات بين مستويات الطاقة المختلفة للالكترونات ، وهذه المستويات تمثل المدارات الجزيئية المختلفة للالكترونات ، وهذه المستويات تمثل المدرات الجزيئية المختلفة ، فإن الجزئ يمكن ان يغيير مستويات الطاقة فيه بطريقتين مختلفتين أخرتين واللتان لاتوجدا في الذرات : بتغيير الطاقة الاهتزازية vibrational energy للجزئ وبتغيير الطاقة الدورانية rotational energy . ويطلق على كل من الطاقة الاهتزازية والطاقة الدورانية بالطاقة الداخلية للجزئ أو طاقة حركة الأنوية تمييزا لها عن طاقة حركة الالكترونات . وهذه الطاقات الداخلية تكون مكماه مثل الطاقات الالكترونية ، بحيث أن الجزئ يمكن أن يوجد فقط في بعض مستويات الطاقة الاهتزازية والدورانية المنفصلة والمميزة .

يتضح من ذلك أن مستويات الطاقة في الجزئيات التي تكون أكثر تعقيدا من مستويات الطاقة في الذرات يمكن تقسيمها إلى ثلاث مجموعات :

أ‌- مستويات الطاقة الناتجة عن الحركة الدورانية rotational motion التي تنتج عن دوران الجزئ حول مركز الكتلة ، وتكون طاقة هذه المستويات في حدود ~10-4Ev
ب‌- مستويات الطاقة الناتجة عن الحركة الاهتزازية motion vibrational التي تنتج عن حركة الذرات بالنسبة لبعضها في الجزئ ويؤدى ذلك إلى تغيير في طول الروابط وتغيير في الزوايا بين الروابط وطاقة هذه المستويات يكون في حدود ~10-1 eV
ج‌- مستويات الطاقة الناتجة عن إثارة الالكترونات في الجزيئات ، وهذه تكون مماثلة لتلك الناتجة عن إثارة الالكترونات في الذرات . وطاقة هذه المستويات تكون في حدود ~1-10Ev

وفي نظرية الطيف الجزيئي فإنه من العادة إجراء تقريب باعتبار أن طاقة الجزئ هي ببساطة مجموع الطاقة الالكترونية Eel وطاقة الانوية EN وطاقة الأنوية EN التي تشمل الطاقة الاهتزازية EVip والطاقة الدورانية
Erot

إن فصل الطاقة الالكترونية عن طاقة الانوية يمثل معادلة تقريب بورن _ ابينهمر وهو تقريب مناسب نظرا لانفصال مستويات الطاقة الالكترونية بدرجة كبيرة عن مستويات الطاقة الاهتزازية والدورانية . من ناحية آخرى فإن فصل الطاقة الاهتزازية عن الطاقة الدورانية . معادلة 2 لايعتبر تقريب جيد بدرجة مناسبة حيث أن الذرات في الحركة الدورانية للجزئ تدفع بعيدا عن بعضها بواسطة قوة طرد المركزي الذي يؤثر بذلك على خواص الاهتزاز مع ذلك فإن التقريب الموضح بمعادلة 2 يكون مناسبا لتفسير كثير من الخواص المشاهدة للطيف الجزيئي .

مجموعة مماثلة من المستويات الاهتزازية . كل منها بدوره يضم مجموعة من المستويات الدورانية . والاختلافات الصغيرة جدا في طاقة مستويات الدوران المتعاقبة هي المسئولة عن التركيب الدقيق للحزمة في طيف الانتقال الالكتروني الجزيئي .

إن الانتقالات بين المستويات الالكترونية المختلفة للجزئ يؤدى إلى طيف في المنطقة المرئية أو الفوق بنفسجية ويطلق عليه الطيف الالكتروني electronic spectra . اما الانتقالات بين المستويات الاهتزازية خلال نفس الحالة الإلكترونية يكون مسئول عن الطيف في المنطقة تحت الحمراء القريبة near infiared ويطلق عليه طيف الاهتزاز – الدوران vibration –rotation spectra
وأخيرا فإن الطيف المشاهد في المنطقة تحت الحمراء البعيدة far infiared ينشأ من الانتقالات بين المستويات
الدورانية المرافقة لنفس مستوى الاهتزاز ، وهذه يطلق عليها طيف الدوران المجرد pure rotation spectra

بالإضافة لهذه الأنواع الثلاثة من الطيف الجزيئي ، فإنه عند وضع بعض الجزيئات في مجال مغناطيسي فإنه يحدث فصل لمستويات الطاقة الخاصة بالحركة المغزلية للالكترون الفردى غير المزدوج ، او الحركة المغزلية لبعض أنوية الذرات التي تحتوي على عزم مغناطيسي . والانتقال بين مستويات الطاقة المغزلية للأنوية في وجود مجال مغناطيسي تحدث بالأشعة في مدى تردد اللاسلكي ويعرف هذا بالتحليل بالرنين النووي المغناطيسي
Nuclear magnetic resonance (NMR)
بينما الانتقال بين مستويات الطاقة الخاصة بالحركة المغزلية للإلكترون غير المزدوج عند وجود الجزئ في مجال مغناطيسي خارجي يحدث في مدى الموجات الصغرى ويعرف هذا التحليل بالرنين الالكتروني المغزلي
Electron spin resonance(ESR)

التأثيرات المتبادلة بين الاشعاع الكهرومغناطيسي والمادة

يمكن دراسة التأثيرات المتبادلة بين الاشعاع الكهرومغناطيسي والمادة بواسطة طريقة التشويش المعتمدة على الزمن اذ ان التغير في المجال الكهربائي والمغناطيسي للاشعاع يعتمد على الزمن .

لنتصور الان جزيئة لها مستويات للطاقة هما m ,n انظر الشكل ادناه

شكل الانتقالات بين مستويين الطاقة

عندما تكون الجزيئة تحت مجال اشعاع كهرومغناطيسي تردده mnυ فان الجزيئة قد تتأثر بالاشعاع الكهرومغناطيسي لتنتقل من حالة طاقة الى اخرى وبذلك يمكن ان يحدث امتصاص محفز ( induced absorption ( أو انبعاث محفز ( induced emission ( كذلك لو تصورنا ان الجزيئة توجد في حالة الطاقة المثارة m فهناك احتمال لحدوث انبعاث تلقائي ( spontaneous emission ) حتى بعدم وجود الاشعاع الكهرومغناطيسي . لقد اثبت اينشاتين عام 1917 ان هذه التحولات في حالات الطاقة يمكن ان توصف بدلاله معاملات ثلاث يطلق عليها الان بمعاملات اينشاتين للانتقالات وهي Amn ، Bnm و Bmn اذ ان الكمية Amndt تمثل احتمالية حدوث تلقائي من حالة الطاقة m الى حالة الطاقة n بمدة زمنية تساوي dt ممايؤدي
الى انبعاث تلقائي من حالة الطاقة m الى حالة الطاقة n بمدة زمنية تساوي dt ممايؤدي الى انبعاث تلقائي للاشعاع تردده mnγ ( = Em-En/ h mnγ ) . اما بوجود اشعاع كهرومغناطيسي فان الكمية Bnmdt تمثل احتمالية حدوث انتقال محفز من الحالة الدنيا n الى الحالة المثارة m بمدة زمنية قدرها dt وذلك يتطلب امتصاص اشعاع كهرومغناطيسي تردده mnγ . كذلك فان الكميةdt Bmn تمثل احتمالية حدوث انتقال محفز من الحالة المثارة m الى الحالة الدنيا n بالمدة الزمنيةdt . وينتج عن ذلك انبعاث اشعاع كهرومغناطيسي تردده mnγ .
لقد اوضح اينشتاين العلاقات الاتية

يمكن حساب المعاملات Bnm او Bmn بواسطة طريقة التشويش المعتمدة على الزمن واستخدام العلاقة 2لحساب Amn . كذلك يمكن تطبيق نظرية ديراك للاشعاع لحساب Amn بصورة مستقلة . سنعطي بعض النتائج الهامة لهذه الحسابات بغية التوصل الى فهم طبيعة التاثيرات المتبادلة بين الاشعاع الكهرومغناطيسي والمادة .
ان تطبيق نظرية التشويش المعتمدة على الزمن تقودنا الى العلاقة الاتية

اذ ان الكمية R تعرف بعزم الانتقال (transition moment) وان 2│R│ تمثل احتمالية حدوث الانتقال بين حالتي الطاقة m وn ويمكن كتابتها بدلالة مكوناتها كالاتي :

يحدث الانتقال بين مستويات الطاقة اذا كان واحد او اكثر من المكونات RX,Ry,Rz لايساوي صفرا. يمكن تصور الجزيئة على انها مجموعة من الجسيمات المشحونة المتحركة التي قد يكون لها عزم ثنائي القطب µ ذو المكونات الاتية :

اذ ان الكمية qi تمثل شحنة الجسيم وان 1x1,y1,z تمثل احداثياته بالنسبة للانتقالات التي تتضمن تغيرا في عزم ثنائي القطب الكهربائي يمكن كتابة صيغة عزوم الانتقالات حسب ميكانيك الكم كالاتي :

عند تطبيق المعادلات السابقة لدراسة أي نوع من الانتقالات الجزيئية او الذرية تكون احتمالية الانتقال │R│2 غير مساوية للصفر للانتقالات التي تتضمن حالات طاقة معينة للنظام وبذلك تخضع الانتقالات الى قواعد تعرف عادة بقواعد الاختيارselection rules) ) التي تعطينا الحالات التي يكون فيها الانتقال محتملا والحالات التي يكون فيها غير ممكن تحت الظروف الاعتيادية فعلى سبيل المثال يمكننا ايجاد قواعد الاختيار للانتقالات الدورانية باستعمال دوال الحركة الدورانية الدوال التوافقية الكروية لحساب التكاملات وبنفس الكيفية يمكننا التوصل الى قواعد الاختيار للاطياف الجزيئية المختلفة في الفصول القادمة
عندما يتضمن انتقال ما تغيرا في عزم ثنائي القطب الكهربائي electric dipole فهناك امكانية لحدوث هذا الانتقال ويطلق على هذا النوع بالانتقالات الثنائية القطب الكهربائية ( electric dipole transitions وتصنف تحت هذا النوع الاطياف الالكترونية والاهتزازية والدورانية غير ان بعض الانتقالات تتضمن تغيرا في عزم ثنائي القطب المغناطيسي (magnetic dipole وتدعى بالانتقالات الثنائية القطب المغناطيسية ( magnetic dipople transition ومثال ذلك مطيافية الرنين النووي المغناطيسي اذ تتضمن تغيرا في عزم ثنائي القطب المغناطيسي للنواة وبذلك يمكن احداث هذه الانتقالات باستعمال مجال مغناطيسي

» شواطئ بألوان الطيف
» بلا عنوان
» بلا عنوان ..
» >>>>بدون عنوان<<<<
» بدون عنوان..