विश्वविद्यालय रसायन विज्ञान — वर्ष 3 · Bachelor Year 3
6घूर्णी और कंपनिक स्पेक्ट्रमिकी
एक ऊँचे, शुष्क पठार पर दर्जनों रेडियो एंटेना तारों के बीच एक अँधेरे मेघ की ओर तने हैं। जो आवृत्तियाँ वे एकत्र करते हैं, उनमें एक 115.271GHz पर है: कुछ केल्विन पर कार्बन मोनोऑक्साइड के अणु, जो अपने पहले घूर्णी स्तर से निम्नतम स्तर पर आ रहे हैं। उसी एक संख्या से कोई रसायनज्ञ C–O आबंध की लंबाई पिकोमीटर के एक अंश तक प्राप्त कर लेता है; अगली रेखाओं की प्रबलताओं से मेघ का ताप। अणुओं के घूर्णन और कंपन इस अध्याय का विषय हैं: उनके स्तर, अध्याय 1 के घूर्णक और दोलित्र से; वरण नियम, अध्याय 5 से; और यह कि स्पेक्ट्रम क्या मापते हैं — आबंध लंबाइयाँ, बल स्थिरांक, वियोजन ऊर्जाएँ।
पहले से ज्ञात
अध्याय 1 ने दृढ़ घूर्णक दिया, EJ=J(J+1)ℏ2/2I, अपभ्रष्टता2J+1 के साथ, और आवर्ती दोलित्र, Ev=(v+21)hν, समानीत द्रव्यमानμ वाले द्विपरमाणुक के लिए। अध्याय 5 ने अवरक्त और रामन वरण नियम बताए। प्रथम वर्ष के खंड ने अवरक्त स्पेक्ट्रम तरंग-संख्याओं में मापे और अणु की ध्रुवणीयता परिभाषित की।
एक ऊँचे पठार पर एक रेडियो व्यतिकरणमापी के एंटेना: वे अनेक रेखाओं के साथ अंतरतारकीय मेघों से कार्बन मोनोऑक्साइड की घूर्णी रेखाएँ भी अभिलिखित करते हैं। (छायाचित्र: ESO/बी॰ तफ़रेशी, twanight.org, CC BY 4.0।)
6.1 घूर्णी स्पेक्ट्रम
परिभाषा 6.1(घूर्णन स्थिरांक, समस्थानिकरूपी)
रैखिक अणु का घूर्णन स्थिरांकB=h/(8π2cI) है, cm−1 में (या हर्ट्ज़ में B=h/8π2I), ताकि उसके घूर्णी स्तर तरंग-संख्याओं में F(J)=BJ(J+1) हों। जो अणु केवल अपने परमाणुओं के समस्थानिकों में भिन्न हैं, वे समस्थानिकरूपी हैं (X12X2212CX16X2216O, X13X2213CX16X2216O); बॉर्न–ओपेनहाइमर सन्निकटन में उनकी आबंध लंबाइयाँ और बल स्थिरांक समान होते हैं।
परिभाषा 6.2(स्थूल और विशिष्ट वरण नियम)
स्थूल वरण नियम बताता है कि किसी अणु में कौन-सा गुणधर्म होना चाहिए ताकि वह किसी प्रकार का स्पेक्ट्रम दिखा भी सके; विशिष्ट वरण नियम बताता है कि क्वांटम संख्या के कौन-से परिवर्तन अनुमत हैं।
प्रतिज्ञप्ति 6.3(शुद्ध घूर्णी स्पेक्ट्रम)
किसी अणु का शुद्ध घूर्णी (सूक्ष्मतरंग) स्पेक्ट्रम केवल तभी होता है जब उसका स्थायी द्विध्रुव आघूर्ण हो; रैखिक अणु के लिए विशिष्ट नियम ΔJ=±1 है। अवशोषण रेखाएँ इन पर होती हैं:
ν~=F(J+1)−F(J)=2B(J+1),J=0,1,2,…,
जो 2B के समान अंतरालों पर हैं।
उपपत्ति. प्रकाश के साथ अन्योन्यक्रिया द्विध्रुव आघूर्ण के माध्यम से होती है: जिस अणु का कोई स्थायी द्विध्रुव नहीं है, घूमने पर उसका कोई दोलायमान द्विध्रुव नहीं होता। नियम ΔJ=±1, ∫YJ′M′∗cosθYJM के लुप्त होने से आता है, जब तक कि J′=J±1 न हो (z के अनुदिश द्विध्रुव घटक Y1,0 की तरह रूपांतरित होता है), स्वीकृत। तब B(J+1)(J+2)−BJ(J+1)=2B(J+1)। ∎
विधि 6.4(घूर्णी रेखा से आबंध लंबाई)
रेखा J+1←J से, जो आवृत्ति ν पर है, B=ν/2(J+1) निकालिए (हर्ट्ज़ में)।
जड़त्व आघूर्ण I=h/8π2B परिकलित कीजिए।
समस्थानिक द्रव्यमानों से प्राप्त समानीत द्रव्यमान के साथ, r=I/μ।
उदाहरण 6.5(कार्बन मोनोऑक्साइड)
X12X2212CX16X2216O की रेखा J=1←0, 115271.20MHz पर है: B=57635.6MHz=1.92252cm−1, I=1.4560×10−46kgm2। μ=12×15.99491/27.99491=6.85621u के साथ r0=113.09pm। यह r0 आबंध का उसके शून्य-बिंदु कंपन पर औसत है और साम्य लंबाई re से थोड़ा लंबा है (अनुभाग 6.2)।
परिभाषा 6.6(अपकेंद्री विरूपण स्थिरांक)
घूमता हुआ आबंध खिंच जाता है; स्तर F(J)=BJ(J+1)−DJ2(J+1)2 हो जाते हैं, जहाँ Dअपकेंद्री विरूपण स्थिरांक है, और रेखाएँ 2B(J+1)−4D(J+1)3 ऊँचे J पर धीरे-धीरे पास आती जाती हैं।
प्रतिज्ञप्ति 6.7(सबसे प्रबल रेखा)
यदि रेखाओं की तीव्रताएँ निचले स्तर की समष्टि, (2J+1)e−hcBJ(J+1)/kT, का अनुसरण करती हैं, तो सबसे अधिक समष्टित स्तर इसके निकट है:
Jmax≈2hcBkT−21.
उपपत्ति.J को संतत मानकर अवकलन कीजिए: dJd[(2J+1)e−aJ(J+1)]=[2−a(2J+1)2]e−aJ(J+1), जहाँ a=hcB/kT; यह (2J+1)2=2/a पर लुप्त होता है। ∎
कार्बन मोनोऑक्साइड का घूर्णी अवशोषण स्पेक्ट्रम, रेखाओं के बीच 2B=3.845cm−1 का अंतराल, तीव्रताएँ निचले स्तर की समष्टि के रूप में ली गई हैं, 30K (नीला) और 300K (लाल, दृश्यता के लिए थोड़ा खिसकाया गया) पर, हर ताप अपनी सबसे प्रबल रेखा के सापेक्ष मापित। 30K पर सबसे प्रबल रेखा J=3←2 है; 300K पर J=8←7।
6.2 वास्तविक आबंधों के कंपन
वास्तविक आबंध साम्य से दूर हुक के नियम का पालन नहीं करता: खींचने पर वह नरम पड़ता है और टूट जाता है।
परिभाषा 6.8(मोर्स विभव)
मोर्स विभवV(r)=De[1−e−β(r−re)]2 है: re के निकट आवर्ती (बल स्थिरांक2β2De), और वियोजन सीमा De की ओर प्रवृत्त, बड़े r पर।
प्रतिज्ञप्ति 6.9(मोर्स दोलित्र के स्तर)
तरंग-संख्याओं में मोर्स दोलित्र के कंपनिक स्तर ये हैं:
एक सीढ़ी जिसके डंडे पास आते जाते हैं और vmax=⌊ω~e/2ω~exe−21⌋ पर समाप्त होते हैं।
उपपत्ति.इस स्तर पर स्वीकृत।∎
मोर्स समीकरण का हल अधिक उन्नत पाठ्यक्रमों में दिया जाता है; स्तरों की संख्यात्मक जाँच इस अध्याय के चित्र-आँकड़ों में की गई है।
परिभाषा 6.10(अनावर्तिता स्थिरांक, मूल संक्रमण, अधिस्वरक, तप्त बैंड)
ω~exeअनावर्तिता स्थिरांक है। मूल संक्रमणv=1←0 है; अधिस्वरकv=n←0 है, जहाँ n≥2, जो दुर्बल होता है क्योंकि आवर्ती दोलित्र का स्थूल नियम Δv=±1 केवल थोड़ा-सा टूटता है; तप्त बैंड किसी उत्तेजित स्तर से आरंभ होता है, v=2←1, और ताप के साथ बढ़ता है।
परिभाषा 6.11(स्पेक्ट्रमी वियोजन ऊर्जा)
किसी अणु की स्पेक्ट्रमी वियोजन ऊर्जा उसके विभव की गहराई De है, जो निम्निष्ठ से मापी जाती है, या D0=De−G(0), जो निम्नतम स्तर से मापी जाती है — प्रति अणु, 0K पर, द्वितीय वर्ष के खंड की आबंध वियोजन एन्थैल्पी के विपरीत, जो 298K पर एक मोलर एन्थैल्पी है।
उपप्रमेय 6.12(मोर्स दोलित्र के De और D0)
De=ω~e2/4ω~exe और D0=De−(21ω~e−41ω~exe)।
उपपत्ति. पहला प्रतिज्ञप्ति का संबंध है; दूसरा G(0) है। ∎
प्रतिज्ञप्ति 6.13(बर्ज–स्पोनर बहिर्वेशन)
अंतराल ΔG(v+21)=G(v+1)−G(v)=ω~e−2ω~exe(v+1), v के साथ रैखिक रूप से घटते हैं; उनके लुप्त होने तक उनका योग D0 देता है, अर्थात् ΔG को v के विरुद्ध आलेखित करने पर आलेख के नीचे का क्षेत्रफल।
उपपत्ति.G के दोनों व्यंजकों को घटाइए। D0, v=0 से सीमा तक की ऊर्जा है, सभी अंतरालों का योग। ∎
उदाहरण 6.14(हाइड्रोजन क्लोराइड)
HX35X2235Cl के लिए ω~e=2990.95cm−1 और ω~exe=52.82cm−1: मूल संक्रमणω~e−2ω~exe=2885.3cm−1 पर है और पहला अधिस्वरक2ω~e−6ω~exe=5665.0cm−1 पर, मूल संक्रमण के दुगुने से थोड़ा कम। मोर्स मॉडल De=42342cm−1 और D0=40860cm−1 बताता है; वास्तविक D0, 0K पर H, Cl और HCl की संभवन एन्थैल्पियों से, 35760cm−1 (4.43eV) है। वास्तविक विभव तली पर समंजित मोर्स वक्र की तुलना में जल्दी सपाट हो जाता है: निम्नतम स्तरों से किए गए बर्ज–स्पोनर बहिर्वेशन वियोजन ऊर्जाओं को अधिक आँकते हैं।
बाएँ: HCl का मोर्स विभव, उसके स्पेक्ट्रमी स्थिरांकों से बना (सतत रेखा), समान वक्रता वाला आवर्ती परवलय (खंडित), और हर तीसरा कंपनिक स्तर, जो अपने व्यावर्तन बिंदुओं के बीच खींचा गया है; स्तर De की ओर पास आते जाते हैं। दाएँ: अंतरालों का बर्ज–स्पोनर आलेख; छायांकित क्षेत्रफल D0 है।
6.3 घूर्णी-कंपनिक बैंड
किसी गैस का कंपनिक संक्रमण घूर्णी परिवर्तनों के साथ होता है, ΔJ=±1, 1Σ अवस्था वाले द्विपरमाणुक के लिए।
परिभाषा 6.15(P, Q और R शाखाएँ, बैंड मूल)
घूर्णी-कंपनिक बैंड में ΔJ=−1 वाली रेखाएँ P शाखा बनाती हैं, ΔJ=+1 वाली R शाखा, और ΔJ=0 वाली, जब अनुमत हों, Q शाखा। बैंड मूलν~0 घूर्णन के बिना कंपनिक ऊर्जा-अंतर है।
प्रमेय 6.16(संयोजन अंतर)
निचले और ऊपरी कंपनिक स्तरों में घूर्णन स्थिरांकB0 और B1 के साथ, R(J)=ν~0+B1(J+1)(J+2)−B0J(J+1) और P(J)=ν~0+B1(J−1)J−B0J(J+1), और
R(J−1)−P(J+1)=4B0(J+21),R(J)−P(J)=4B1(J+21).
उपपत्ति. पहले दो, दोनों स्तरों के लिए E=G(v)+BvJ(J+1) से निकलते हैं। R(J−1) और P(J+1) एक ही ऊपरी स्तर J पर समाप्त होते हैं, निचले स्तरों J−1 और J+1 से: उनका अंतर B0[(J+1)(J+2)−(J−1)J]=B0(4J+2) है। इसी प्रकार R(J) और P(J) एक ही निचले स्तर से आरंभ होते हैं और J+1 तथा J−1 पर समाप्त होते हैं। ∎
विधि 6.17(घूर्णी-कंपनिक बैंड का विश्लेषण)
रिक्ति ढूँढ़िए: 1Σ द्विपरमाणुक के लिए कोई Q शाखा नहीं होती, और ν~0 रिक्ति में, R(0) और P(1) के बीच, होता है।
रिक्ति से बाहर की ओर रेखाओं को क्रमांकित कीजिए: R(0),R(1),… और P(1),P(2),…।
संयोजन अंतरों से B0 और B1 अलग-अलग प्राप्त कीजिए, फिर αe=B0−B1 और Be=B0+21αe।
300K पर गैसीय HCl का मूल बैंड, उसके स्पेक्ट्रमी स्थिरांकों से परिकलित: बैंड मूल पर स्थित रिक्ति के दोनों ओर P और R शाखाएँ। हर रेखा एक द्विक है, HX35X2235Cl और उससे दुर्बल, थोड़ी नीचे स्थित HX37X2237Cl (प्राकृतिक प्रचुरताएँ 76 % और 24 %)। R रेखाएँ पास आती जाती हैं, P रेखाएँ फैलती जाती हैं, क्योंकि B1<B0।
उदाहरण 6.18(बैंड से HCl के स्थिरांक)
R(0)=2905.58cm−1 और P(2)=2842.94cm−1 से 6B0=62.64cm−1 मिलता है, अतः B0=10.440cm−1। R(1)=2925.23 और P(1)=2864.43cm−1 से B1=10.133cm−1। अतः αe=0.307cm−1 और Be=10.593cm−1, वही मान जिनसे बैंड बनाया गया था: विधि उन्हें यथार्थतः पुनः प्राप्त कर लेती है।
6.4 रामन स्पेक्ट्रमिकी
परिभाषा 6.19(रामन और रैले प्रकीर्णन)
जब आवृत्ति ν0 का प्रकाश किसी नमूने को पार करता है, तो अधिकांश प्रकीर्णित प्रकाश आवृत्ति ν0 बनाए रखता है: यह रैले प्रकीर्णन है। एक छोटा अंश अणुओं की घूर्णी या कंपनिक आवृत्तियों जितना विस्थापित हो जाता है: यह रामन प्रकीर्णन है। निम्नतर आवृत्ति की रेखाएँ स्टोक्स रेखाएँ हैं (अणु ने ऊर्जा प्राप्त की), उच्चतर आवृत्ति की प्रति-स्टोक्स रेखाएँ (उसने ऊर्जा खोई)।
प्रतिज्ञप्ति 6.20(रामन प्रभाव का चिरसम्मत मूल)
यदि νvib पर कंपन करते अणु की ध्रुवणीयता α=α0+α1cos(2πνvibt) के रूप में बदलती है, तो क्षेत्र E0cos(2πν0t) द्वारा प्रेरित द्विध्रुव ν0 पर और ν0±νvib पर दोलन करता है। कोई कंपन केवल तभी रामन-सक्रिय है जब वह ध्रुवणीयता को बदले।
उपपत्ति.μ=αE=α0E0cos(2πν0t)+21α1E0[cos2π(ν0+νvib)t+cos2π(ν0−νvib)t], cosacosb=21[cos(a+b)+cos(a−b)] से। हर दोलायमान द्विध्रुव अपनी ही आवृत्ति पर विकिरण करता है; α1 के बिना केवल रैले पद बचता है। ∎
प्रतिज्ञप्ति 6.21(घूर्णी रामन रेखाएँ)
विषमदैशिक ध्रुवणीयता वाला रैखिक अणु ΔJ=±2 वाली घूर्णी रामन रेखाएँ दिखाता है, जो उत्तेजक रेखा से इतनी विस्थापित होती हैं:
∣Δν~∣=F(J+2)−F(J)=4B(J+23)=6B,10B,14B,…
— पहली रेखा 6B पर, फिर 4B का अंतराल।
उपपत्ति. घूमते रैखिक अणु का ध्रुवणीयता दीर्घवृत्तज प्रति घूर्णन दो बार उसी अभिविन्यास में लौटता है, अतः वह प्रकीर्णन को घूर्णन आवृत्ति की दुगुनी आवृत्ति पर मॉडुलित करता है: ΔJ=±2 (क्वांटम नियम, स्वीकृत)। तब B(J+2)(J+3)−BJ(J+1)=B(4J+6)। ∎
उदाहरण 6.22(रामन द्वारा देखा गया नाइट्रोजन)
NX2 का कोई द्विध्रुव नहीं है और कोई अवरक्त या सूक्ष्मतरंग स्पेक्ट्रम नहीं, परंतु उसकी ध्रुवणीयता विषमदैशिक है: उसकी घूर्णी रामन रेखाएँ उत्तेजक रेखा से 6B0=11.94cm−1 पर आरंभ होती हैं और उनके बीच 7.96cm−1 का अंतराल है। उनकी तीव्रताएँ सम और विषम J के बीच 2:1 के अनुपात में एकांतरित होती हैं: दोनों X14X2214N नाभिक सर्वसम हैं, और नाभिकीय-चक्रण सांख्यिकी (अध्याय 11) सम-J स्तरों को विषम स्तरों से दुगुना भार देती है।
बाएँ: 300K पर परिकलित नाइट्रोजन का घूर्णी रामन स्पेक्ट्रम: धनात्मक विस्थापनों पर स्टोक्स रेखाएँ (दाएँ), ऋणात्मक विस्थापनों पर प्रति-स्टोक्स रेखाएँ (बाएँ, थोड़ी दुर्बल), तीव्रताओं के 2:1 एकांतरण के साथ; शून्य पर धूसर रेखा कहीं अधिक प्रबल रैले रेखा को दर्शाती है। दाएँ: एक आभासी स्तर (अणु की कोई वास्तविक अवस्था नहीं) से होकर रैले और स्टोक्स प्रकीर्णन का ऊर्जा-आरेख।
6.5 बहुपरमाणुक अणु
परिभाषा 6.23(घूर्णकों के प्रकार)
तीन समान मुख्य जड़त्व आघूर्णों वाला अणु गोलीय लट्टू है (CHX4, SFX6); दो समान हों तो सममित लट्टू (NHX3, CHClX3, CX6HX6); तीनों भिन्न हों तो असममित लट्टू (HX2O, अधिकांश अणु); रैखिक अणुओं का एक आघूर्ण शून्य होता है।
गोलीय लट्टू का न कोई द्विध्रुव होता है न घूर्णी स्पेक्ट्रम; सममित लट्टू के स्तर BJ(J+1)+(A−B)K2 होते हैं, जहाँ K उसके अक्ष के परितः कोणीय संवेग को गिनता है, और उसकी रेखाएँ फिर भी 2B(J+1) पर पड़ती हैं, क्योंकि ΔK=0; असममित लट्टू का स्पेक्ट्रम अनियमित होता है, जिसका समंजन कंप्यूटर से किया जाता है। बहुपरमाणुक अणुओं के कंपन उनकी प्रसामान्य विधाएँ हैं, जिन्हें अध्याय 5 अंकित और चयनित करता है: अवरक्त स्पेक्ट्रम वे विधाएँ दिखाता है जो x, y, z की तरह रूपांतरित होती हैं, हर एक अपनी घूर्णी संरचना के साथ।
प्रयोगशाला में— अवरक्त स्पेक्ट्रममापी में एक गैस सेल
गैसीय HCl को 10cm की ऐसी सेल में भरा जाता है जिसकी खिड़कियाँ अवरक्त में पारदर्शी हैं, एक फ़ूरिये-रूपांतर स्पेक्ट्रममापी के भीतर। 1cm−1 विभेदन पर P और R शाखाएँ एकल रेखाओं के रूप में दिखती हैं; 0.25cm−1 पर हर एक अपने HX35X2235Cl/HX37X2237Cl द्विक में विभक्त हो जाती है, जो 2cm−1 दूर हैं। हाइड्रोजन क्लोराइड विषैला और संक्षारक है: सेल एक धूम-हुड में, निर्वात लाइन पर भरी जाती है।
सुरक्षा
हाइड्रोजन क्लोराइड गैस: दाब में भरी गैस, त्वचा, आँखों और श्वसन मार्ग के लिए संक्षारक, साँस द्वारा लेने पर विषैली। केवल बंद उपकरण या धूम-हुड में प्रयुक्त।
इतिहास— रामन, 1928
1928 में सी॰ वी॰ रामन और के॰ एस॰ कृष्णन ने बैंगनी फ़िल्टर से छने और द्रवों द्वारा प्रकीर्णित सूर्य-प्रकाश में भिन्न रंग का एक मंद प्रकाश प्रेक्षित किया, जिसे एक आड़ा रखा हरा फ़िल्टर पृथक कर सकता था। रामन को 1930 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला; पचास वर्ष बाद लेज़र स्रोतों ने उनके प्रभाव को एक नियमित विश्लेषणात्मक तकनीक बना दिया।
6.6 अभ्यास
अभ्यास 6.1★
X12X2212CX16X2216O के लिए B0=1.9225cm−1 से जड़त्व आघूर्ण और आबंध लंबाई r0 परिकलित कीजिए।
B0=10.440cm−1 लेकर HX35X2235Cl के घूर्णी स्पेक्ट्रम की पहली चार रेखाओं की स्थितियाँ, और 300K पर सबसे प्रबल रेखा का J दीजिए।
हल
हल — अभ्यास 6.2.
2B0(J+1): 20.88, 41.76, 62.64, 83.52cm−1। Jmax=kT/2hcB−21=208.5/20.88−0.5=2.7: स्तर J=3 सबसे अधिक समष्टित है, और सबसे प्रबल रेखा 4←3 है, 83.5cm−1 पर।
अभ्यास 6.3★
HX2, HCl, NX2, COX2, CHX4, SFX6 और HX2O में से कौन शुद्ध घूर्णी अवशोषण स्पेक्ट्रम दिखाते हैं? घूर्णी रामन स्पेक्ट्रम कौन?
हल
हल — अभ्यास 6.3.
सूक्ष्मतरंग अवशोषण के लिए स्थायी द्विध्रुव चाहिए: केवल HCl और HX2O। घूर्णी रामन के लिए विषमदैशिक ध्रुवणीयता चाहिए: HX2, HCl, NX2, COX2, HX2O; गोलीय लट्टूCHX4 और SFX6 नहीं।
अभ्यास 6.4★
300 और 1000K पर HCl अणुओं का कितना अंश v=1 में है (मूल संक्रमण2885.3cm−1)? तप्त बैंड कब दिखने लगता है?
हल
हल — अभ्यास 6.4.
N1/N0=e−hcν~/kT: 300K पर e−13.84=9.8×10−7; 1000K पर e−4.15=0.016। तप्त बैंड ध्यान देने योग्य (मूल संक्रमण का एक प्रतिशत) केवल 1000K के निकट होता है।
अभ्यास 6.5★★
HX35X2235Cl का मूल संक्रमण और पहला अधिस्वरक 2885.3 और 5665.0cm−1 पर हैं। ω~e और ω~exe निकालिए।
हल
हल — अभ्यास 6.5.
ω~e−2ω~exe=2885.3 और 2ω~e−6ω~exe=5665.0: दूसरे में से पहले का दुगुना घटाने पर −2ω~exe=−105.6, अतः ω~exe=52.8cm−1 और ω~e=2990.9cm−1।
अभ्यास 6.6★★
पिछले अभ्यास के स्थिरांकों से मोर्स मॉडल के De और D0 परिकलित कीजिए, और वास्तविक D0=35760cm−1 से तुलना कीजिए। दोनों D0 को kJ/mol में बदलिए।
हल
हल — अभ्यास 6.6.
De=2990.952/(4×52.82)=42341cm−1; G(0)=1495.47−13.20=1482.3cm−1; D0=40859cm−1=488.8kJ/mol, वास्तविक 35760cm−1=427.8kJ/mol के विरुद्ध: मोर्स मॉडल 14 % अधिक आँकता है।
अभ्यास 6.7★★
HX35X2235Cl मूल बैंड की चार रेखाएँ R(0)=2905.58, R(1)=2925.23, P(1)=2864.43 और P(2)=2842.94cm−1 हैं। B0, B1, αe और बैंड मूल ज्ञात कीजिए।
हल
हल — अभ्यास 6.7.
R(0)−P(2)=6B0=62.64: B0=10.440cm−1। R(1)−P(1)=6B1=60.80: B1=10.133cm−1। αe=0.307cm−1। R(0)=ν~0+2B1 से ν~0=2885.31cm−1 मिलता है (और P(1)=ν~0−2B0 मेल खाता है)।
अभ्यास 6.8★★
DX35X2235Cl के B0 और बैंड मूल की भविष्यवाणी HX35X2235Cl के मानों से कीजिए, समानीत द्रव्यमानों का उपयोग करके (ω~e∝μ−1/2, ω~exe∝μ−1, B∝μ−1)।
NX2 के लिए B0=1.9896cm−1। पहली तीन स्टोक्स घूर्णी रामन रेखाओं के विस्थापन दीजिए, और उनकी तीव्रताओं के एकांतरण की व्याख्या कीजिए।
हल
हल — अभ्यास 6.9.
विस्थापन 4B0(J+23): 11.94, 19.90, 27.85cm−1 (J=0, 1, 2 से)। दोनों X14X2214N नाभिक चक्रण 1 वाले सर्वसम बोसॉन हैं: सम-J स्तरों की छह नाभिकीय-चक्रण अवस्थाएँ हैं, विषम-J की तीन, अतः सम J से आने वाली रेखाएँ अपने पड़ोसियों से दुगुनी प्रबल हैं।
अभ्यास 6.10★★★
X12X2212CX16X2216O की पहली तीन घूर्णी रेखाएँ 115271.2018, 230538.0000 और 345795.9899MHz पर हैं। दिखाइए कि दृढ़ घूर्णक इनसे मेल नहीं खाता, और B तथा अपकेंद्री विरूपण स्थिरांकD निर्धारित कीजिए।
हल
हल — अभ्यास 6.10.
दृढ़ घूर्णक रेखाओं को ν1, 2ν1, 3ν1 पर रखता: 230542.40 और 345813.61MHz, जो मापी गई रेखाओं से 4.4 और 17.6MHz ऊपर हैं। νJ+1←J=2B(J+1)−4D(J+1)3 के साथ: ν1=2B−4D, ν3=6B−108D, अतः 3ν1−ν3=96D: D=0.1835MHz और B=(ν1+4D)/2=57635.97MHz। जाँच: ν2=4B−32D=230538.0MHz।
अभ्यास 6.11★★★
दिखाइए कि मोर्स दोलित्र के अंतरालों ΔG(v+21) का बर्ज–स्पोनर योग, v=0 से अंतिम बद्ध स्तर तक, De−G(0) के निकट है, और HCl के लिए योग का मान निकालिए।
हल
हल — अभ्यास 6.11.
ΔG(v+21)=ω~e−2ω~exe(v+1) लगभग v=ω~e/2ω~exe−1 पर लुप्त होता है; n पदों की समांतर श्रेढ़ी का योग, जो ω~e−2ω~exe से लगभग 0 तक घटती है, लगभग nω~e/2≈ω~e2/4ω~exe−ω~e/2≈De−G(0) है। HCl के लिए 28 अंतरालों (v=0 से 27) का योग 40857cm−1 है, De−G(0)=40859cm−1 के विरुद्ध।
अभ्यास 6.12★★★
X16X2216O नाभिक का चक्रण शून्य है, अतः X16X2216OX12X2212CX16X2216O के विषम J वाले स्तरों का अस्तित्व नहीं होता। उसकी घूर्णी रामन रेखाओं का अंतराल, और पहली रेखा का विस्थापन, B के पदों में क्या है? COX2 का कोई सूक्ष्मतरंग स्पेक्ट्रम क्यों नहीं है?
हल
हल — अभ्यास 6.12.
केवल सम J होने पर संक्रमण J→J+2, J=0,2,4,… से आरंभ होते हैं: विस्थापन 6B,14B,22B,…, अंतराल 8B। COX2 में सममिति केंद्र है और कोई स्थायी द्विध्रुव नहीं: कोई सूक्ष्मतरंग स्पेक्ट्रम नहीं।
6.7 समस्या: एक ठंडे मेघ को सुनना
समस्या 6.1
सप्ताहांत समस्या — कार्बन मोनोऑक्साइड की पहली घूर्णी रेखा से उसकी आबंध लंबाई, एक अंतरतारकीय मेघ का ताप, कार्बन-13 समस्थानिकरूपी, और अवरक्त बैंड
आँकड़े: X12X2212CX16X2216O की रेखाएँ J=1←0, 115.2712GHz पर, और 2←1, 230.5380GHz पर; X13X2213CX16X2216O की रेखा 1←0, 110.2014GHz पर; द्रव्यमान X12X2212C 12 (यथार्थतः), X13X2213C 13.00335, X16X2216O15.99491u; X13X2213C की प्राकृतिक प्रचुरता 1.1 %; X12X2212CX16X2216O के लिए ω~e=2169.81cm−1, ω~exe=13.288cm−1, और साम्य लंबाई re=112.83pm। h=6.62607×10−34Js, u=1.66054×10−27kg, c=2.99792×1010cm/s, hc/k=1.43878cmK।
भाग I — आबंध।
B0 को हर्ट्ज़ में और cm−1 में परिकलित कीजिए।
X12X2212CX16X2216O का समानीत द्रव्यमान किलोग्राम में परिकलित कीजिए।
जड़त्व आघूर्ण परिकलित कीजिए।
r0 निकालिए।
re से तुलना कीजिए। r0 लंबा क्यों है?
दृढ़ घूर्णक के लिए 2←1 रेखा की भविष्यवाणी कीजिए। मापे गए मान पर टिप्पणी कीजिए।
भाग II — मेघ का ताप।
ऊर्जाएँ, cm−1 में और केल्विन (E/k) में, स्तरों J=0, 1, 2 की दीजिए।
समष्टियों का अनुपात N2/N1 लिखिए, ताप T पर।
प्रेक्षण N2/N1=0.85 देते हैं (समस्या के आँकड़े)। T ज्ञात कीजिए।
उस ताप पर कौन-सा स्तर सबसे अधिक समष्टित है?
ऐसा मेघ अवरक्त कंपनिक बैंड में क्यों नहीं देखा जा सकता?
1←0 रेखा ठंडी गैस का सबसे अधिक प्रयुक्त अनुरेखक क्यों है?
किस अणु, X12X2212CX16X2216O या X13X2213CX16X2216O, का बैंड मूल निम्नतर है?
परिणाम बताइए: एक रेडियो रेखा से प्राप्त कार्बन मोनोऑक्साइड की आबंध लंबाई r0।
हल
हल — समस्या 6.1.
1.B0=ν/2=57.6356GHz; B0/c=1.92252cm−1। 2.μ=12×15.99491/27.99491=6.85621u=1.13850×10−26kg। 3.I=h/8π2B0=1.4560×10−46kgm2। 4.r0=I/μ=113.09pm। 5.r0, re=112.83pm से 0.26pm अधिक है: B0, अनावर्ती कूप में शून्य-बिंदु कंपन पर 1/r2 का औसत लेता है, और वह कूप लंबी दूरियों पर अधिक समय बिताता है। 6.2ν1←0=230.5424GHz; मापी गई रेखा 4.4MHz नीचे है: अपकेंद्री विरूपण। 7.0, 3.845 और 11.535cm−1, अर्थात् E/k=0, 5.53 और 16.60K। 8.N2/N1=35exp[−(16.60−5.53)K/T]। 9.ln(35/0.85)=0.673=11.06/T: T=16K। 10.Jmax=16.4/(2×1.43878×1.9225)−0.5=1.2: J=1। 11. एक कंपनिक क्वांटम hcν~/k≈3080K के संगत है: 16K पर कोई अणु कंपनिक रूप से उत्तेजित नहीं होता, अतः मेघ कोई कंपनिक प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता। 12. उसे केवल 5.5K के उत्तेजन की आवश्यकता है, वह सबसे ठंडी गैस में भी उत्तेजित हो जाती है, और CO प्रचुर है तथा उसका द्विध्रुव आघूर्ण है। 13.μ=13.00335×15.99491/28.99826=7.17241u। 14.B∝1/μ: 115.2712×6.85621/7.17241=110.1893GHz। 15. भविष्यवाणी मापी गई रेखा से 12MHz (0.011 %) नीचे है: B0=Be−21αe, और कंपन–घूर्णन पद αe, μ की किसी भिन्न घात के साथ बदलता है; साम्य संरचना वही है, शून्य-बिंदु औसत नहीं। 16.98.9/1.1=90। 17.X12X2212CX16X2216O रेखा संतृप्त (प्रकाशतः मोटी) है: वह अब गैस की मात्रा के साथ नहीं बढ़ती। 18. दुर्लभ X13X2213CX16X2216O रेखा गैस की मात्रा के समानुपाती बनी रहती है, X12X2212CX16X2216O रेखा ताप देती है: साथ मिलकर वे दोनों को मापती हैं। 19.ν~0=2169.81−2×13.288=2143.24cm−1, 4.666µm। 20.2ω~e−6ω~exe=4259.89cm−1। 21.G(0)=21ω~e−41ω~exe=1081.58cm−1। 22.R(0)−P(1)=2(B0+B1)≈4B≈7.7cm−1। 23.X13X2213CX16X2216O: भारी समानीत द्रव्यमान, निम्नतर आवृत्ति। 24.r0(CO)=113.1pm, एक ही रेडियो आवृत्ति से।