3. Ковалентная связь обладает направленным характером.
Из опыта известно, что молекулы, как правило, представляют собой определенные геометрические структуры, в которых взаимное расположение атомов достаточно жестко фиксировано. Существование таких структур означает, что силы, действующие между атомами, не носят центрального характера и зависят от взаимного расположения атомов. В квантовой механике это находит свое объяснение в направленном характере валентных связей.
На примере атома водорода мы видели, что из *- и *-состояний, относящихся к одному главному квантовому числу, можно образовать нецентросимметричное стационарное состояние, волновая функция которого будет "вытянута" в одном или в нескольких дискретных направлениях. Такого же типа состояния возможны для электронов внешних оболочек сложных атомов. При этом *- и *-состояния могут несколько отличаться по энергии, и тогда их стационарная суперпозиция возникнет благодаря получаемому энергетическому выигрышу. В этом случае говорят о гибридизации *- и *-состояний. При образовании молекулы атома сближаются своими вытянутыми друг к другу оболочками с противоположно направленными спинами, что обеспечивает максимальное перекрытие оболочек, а следовательно, максимальную химическую связь.
В качестве примера рассмотрим молекулу аммиака **. Эта молекула имеет пирамидальную форму. Атом азота, находящийся в вершине пирамиды, образует три валентные связи, угол между которыми *107*.
На концах связей находятся атомы водорода, образуя равносторонний треугольник, лежащий в плоскости, перпендикулярной оси пирамиды.
Атом азота может находиться как выше, так и ниже этой плоскости. Таким образом, молекула имеет две эквивалентные конфигурации.
Если валентные связи моделировать с помощью потенциального поля и ограничиться рассмотрением движения атома азота только по оси молекулы, то мы получим картину одномерного движения частицы в поле двух одинаковых потенциальных ям, симметрично расположенных относительно плоскости основания молекулы.
рисунок
Атом азота ведет себя в этом поле как квантовая частица и способен туннелировать сквозь барьер, разделяющий обе потенциальные ямы. Согласно общим свойствам одномерного движения в симметричных потенциальных ямах должна существовать, по крайней мере, пара стационарных состояний, одно из которых симметрично (***), а другое антисимметрично (***). При этом энергетический уровень симметричного состояния ** лежит ниже уровня антисимметричного состояния ***. Возникает своеобразная двухуровневая система. Энергетическое расстояние между уровнями этой системы соответствует миллиметровому диапазону (* 23 Ггц). Переходы между этими уровнями лежат в основе работы аммиачного мазера, первого из созданных квантовых генераторов когерентного электромагнитного поля.
ЛЕКЦИЯ 34
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ И ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ СПЕКТРЫ ДВУХАТОМНОЙ МОЛЕКУЛЫ
После того как найдены электронные термы молекулы, для определения ее колебательного и вращательного движения требуется решить систему уравнений (32.8), которая в адиабатическом приближении сводится к независимым уравнениям для каждого из электронных термов
(34.1)
Для двухатомной молекулы
(34.2)
(34.3)
где ** и ** -- массы ядер молекулы, а ** и ** -- векторы, определяющие их положение в пространстве. ** и ** -- операторы Лапласа, действующие, соответственно, в пространствах ** и **.
Электронные термы двухатомной молекулы, находящейся в свободном состоянии, в силу изотропии и однородности пространства являются функциями только от ***. Благодаря этому уравнение (34.1) принимает вид стационарного уравнения Шредингера для двух частиц, взаимодействующих по центрально-симметричному закону
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.