ઓપ્ટિકલ સ્પેક્ટ્રાની ફાઇન અને હાઇપરફાઇન માળખું. સૈદ્ધાંતિક પરિચય

જટિલ અણુઓના સ્પેક્ટ્રાના પૃથ્થકરણે દર્શાવ્યું છે કે બધા જ નહીં, પરંતુ માત્ર કેટલાક, અણુના ઉચ્ચતમ ઉર્જા સ્તરથી સૌથી નીચા સુધીના ઇલેક્ટ્રોનિક સંક્રમણો વ્યવહારમાં સાકાર થાય છે.

આ એટલા માટે છે કારણ કે મંજૂર સંક્રમણોએ શરતને સંતોષવી આવશ્યક છે ( પસંદગીના નિયમો).

ઉદાહરણ તરીકે, ડી = ±1, Dm = 0, ±1, જ્યાં D - ઓર્બિટલ ક્વોન્ટમ નંબરના મૂલ્યો વચ્ચેનો તફાવત; Dm એ ઇલેક્ટ્રોનની બે અવસ્થાઓ વગેરેને અનુરૂપ ચુંબકીય ક્વોન્ટમ નંબરના મૂલ્યો વચ્ચેનો તફાવત છે.

વધુમાં, તે શોધી કાઢવામાં આવ્યું હતું પાતળુંઅને અતિ-પાતળા માળખુંવર્ણપટ રેખાઓ. ઉદાહરણ તરીકે, પીળી D - સોડિયમ રેખા બે રેખાઓમાં વિભાજિત થાય છે (l 1 = 5.890×10 - 7 m અને l 2 = 5.896×10 - 7 m). આવી ઘટના શક્ય છે જ્યારે ઊર્જા સ્તર વિભાજિત થાય છે, ઇલેક્ટ્રોન સંક્રમણો જે વચ્ચે આ સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓના દેખાવ તરફ દોરી જાય છે.

વર્ણપટ રેખાઓનું બારીક માળખું તેમની ઉર્જા પર ઇલેક્ટ્રોનના સ્પિનના પ્રભાવ અને અન્ય પરિબળોના પ્રભાવને કારણે થાય છે. . ડીરાકઆને ધ્યાનમાં લેતા, તેણે સાપેક્ષ તરંગ સમીકરણ મેળવ્યું, જેના ઉકેલથી ઇલેક્ટ્રોનની સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સમજાવવાનું શક્ય બન્યું.

રેડિયોસ્પેક્ટ્રોસ્કોપી દ્વારા હાઇડ્રોજન અને હિલીયમ અણુના સ્તરોના વિભાજનના સીધા માપ અને વર્ણપટ રેખાઓની સુંદર રચનાના અભ્યાસે સિદ્ધાંતની પુષ્ટિ કરી. વિભાજન ઉપરાંત, ઉર્જા સ્તરોમાં ફેરફાર થાય છે - કિરણોત્સર્ગ દરમિયાન રિકોઇલને કારણે ક્વોન્ટમ અસર. પાતળી અવલોકન સાથે હાયપરફાઇન માળખુંઊર્જા સ્તર, ન્યુક્લિયસની ચુંબકીય ક્ષણ સાથે ઇલેક્ટ્રોનની ચુંબકીય ક્ષણોની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે, તેમજ આઇસોટોપિક વિસ્થાપન, એક તત્વના આઇસોટોપ્સના ન્યુક્લીના સમૂહમાં તફાવતને કારણે. જો અણુમાં ઘણા ઇલેક્ટ્રોન હોય, તો તેમની ચુંબકીય ક્રિયાપ્રતિક્રિયા એ હકીકત તરફ દોરી જાય છે કે ઇલેક્ટ્રોનની ચુંબકીય ક્ષણો પરિણામી ચુંબકીય ક્ષણમાં ઉમેરે છે. ક્રિયાપ્રતિક્રિયાના ઘણા પ્રકારો છે.

પ્રથમ પ્રકારની ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાં - સામાન્ય ચુંબકીય જોડાણ (એલ-, એસ-જોડાણો)- પરિભ્રમણ ક્ષણો પરિણમી ક્ષણમાં અલગથી ઉમેરવામાં આવે છે, અલગથી - સ્પિન ક્ષણો અને પહેલેથી જ તેમની પરિણામી ક્ષણો અણુના કુલ કોણીય ગતિમાં ઉમેરવામાં આવે છે. બીજા પ્રકારની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા (સ્પિન-ઓર્બિટ કપલિંગ)દરેક ઇલેક્ટ્રોનની ભ્રમણકક્ષા અને સ્પિન કોણીય વેગ એક સામાન્ય વેગમાં ઉમેરાય છે, અને વ્યક્તિગત ઇલેક્ટ્રોનની પહેલેથી જ કુલ ક્ષણો અણુના કુલ કોણીય વેગમાં ઉમેરાય છે.

અન્ય પ્રકારની લિંક્સ પણ છે.

આમ, L -, S - બોન્ડના કિસ્સામાં અણુના વેક્ટર મોડેલમાં, આપણી પાસે છે

,

જ્યાં , s i અનુરૂપ ભ્રમણકક્ષા છે અને

વ્યક્તિગત ઇલેક્ટ્રોનની સ્પિન પળો; L એ કુલ ભ્રમણકક્ષા કોણીય વેગ છે; S એ કુલ સ્પિન કોણીય વેગ છે; J એ અણુમાંના તમામ ઇલેક્ટ્રોનનો કુલ કોણીય વેગ છે.

ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ અનુસાર

(10)

જ્યાં L, S, J એ વેક્ટર માટે અનુક્રમે કુલ ક્ષણની પરિમાણ સંખ્યાઓ છે.

ઉદાહરણ તરીકે, L અને S જોતાં, કુલ કોણીય વેગ J મૂલ્યો પર લઈ શકે છે: L + S, L + S - 1, L + S - 2, ... , L - S + 1, L - S.

ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં, પ્રક્ષેપણ

. (11)

ચુંબકીય ક્વોન્ટમ નંબર m J નીચેના મૂલ્યો લઈ શકે છે:

J, J - 1, J - 2, ... , -J + 1, -J.

કુલ 2J + 1 મૂલ્યો છે.

પરિણામે, ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં, ક્વોન્ટમ નંબર J સાથેનું સ્તર 2J + 1 સબલેવલમાં વિભાજિત થાય છે.

આ કિસ્સામાં, પસંદગીનો નિયમ Dm J = 0, ±1 જોવામાં આવે છે.

શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્રમાં, મૂળ 0 ની તુલનામાં કણનો કોણીય મોમેન્ટમ વેક્ટર વેક્ટરના વેક્ટર ઉત્પાદન દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે અને , એટલે કે.

ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સમાં, આનો કોઈ અર્થ નથી, કારણ કે એવી કોઈ સ્થિતિ નથી કે જેમાં બંને વેક્ટર અને ચોક્કસ મૂલ્યો હોય (હેઈઝનબર્ગના અનિશ્ચિતતા સંબંધો).

ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સમાં, વેક્ટર ઉત્પાદન અનુલક્ષે છે વેક્ટર ઓપરેટર

તે ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સથી અનુસરે છે કે એવી કોઈ સ્થિતિ નથી કે જેમાં કોણીય મોમેન્ટમ વેક્ટરનું ચોક્કસ મૂલ્ય હોય, એટલે કે, તીવ્રતા અને દિશામાં બંને રીતે સંપૂર્ણપણે નિર્ધારિત કરવામાં આવશે. કોણીય મોમેન્ટમ ઓપરેટર વેક્ટર માત્ર સંકલન અક્ષોની દિશા પર આધાર રાખે છે.

ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સમાં કણના કોણીય વેગને દર્શાવતી ભૌતિક માત્રાઓ છે:

1. કણના રોટેશનલ (કોણીય) મોમેન્ટમના ઓપરેટરનું પ્રોજેક્શન

, (12)

જ્યાં m z = 0, ±1, ±2, ... , એ ચુંબકીય પરિમાણ સંખ્યા છે.

2. કે કણના કુલ ટોર્કનો ચોરસ(વેક્ટરનો ચોરસ નહીં, પરંતુ ટોર્ક ઓપરેટરના ચોરસના ઇજેન મૂલ્યો), એટલે કે.

. (13)

તેથી, એક એવી સ્થિતિ છે કે જેમાં ટોર્કનો ચોરસ અને પસંદ કરેલ દિશા (ઉદાહરણ તરીકે, Z અક્ષ પર) પરના તેના અંદાજો એક સાથે ચોક્કસ મૂલ્યો ધરાવે છે.

કુલ રાજ્યો કે જેમાં ટોર્કના ચોરસ ચોક્કસ મૂલ્યો ધરાવે છે, 2 +1

જ્યાં = 0, 1, ... , n - 1 - ભ્રમણકક્ષાની ક્વોન્ટમ સંખ્યા જે કોણીય વેગનો વર્ગ નક્કી કરે છે.

પ્રક્રિયાઓ જે નક્કી કરે છે પાર્ટિકલ ટોર્ક ઓપરેટર એલનું પ્રક્ષેપણ z અને ટોર્ક L 2 ના ચોરસ કહેવામાં આવે છે અવકાશી પરિમાણ.

ચોખા. એક

ગ્રાફિકલી, અવકાશી પરિમાણ વેક્ટર ડાયાગ્રામ (ફિગ. 1) માં રજૂ કરવામાં આવે છે, જે પ્રક્ષેપણના સંભવિત મૂલ્યો દર્શાવે છે એલ z અને સ્ક્વેર કોણીય મોમેન્ટમ L 2 ના સંભવિત મૂલ્યો. m z ની સંભવિત કિંમતો Z ધરી સાથે લંબાઈ ઓપરેટર વેક્ટરના અંદાજો તરીકે રચાયેલ છે | |= .

=1, = પર, જો h/2p ને ટોર્કના એકમ તરીકે લેવામાં આવે. સ્પિનને જાણવાનું, ઉદાહરણ તરીકે, સોડિયમ અણુના ન્યુક્લિયસ માટે, અમને આ તત્વ માટે ઉર્જા સ્તરો અને વર્ણપટ રેખાઓના હાયપરફાઇન વિભાજનને વિગતવાર ધ્યાનમાં લેવાની મંજૂરી આપે છે. ન્યુક્લિયસની સ્પિન મોમેન્ટનું પરિમાણ કરવામાં આવે છે. તે સ્થાપિત કરવામાં આવ્યું છે કે સોડિયમ અણુના ન્યુક્લિયસના સ્પિનનું મહત્તમ મૂલ્ય.

જો આપણે ન્યુક્લિયર સ્પિન મોમેન્ટના એકમ તરીકે લઈએ, તો પસંદ કરેલી દિશા (બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્ર દ્વારા નિર્ધારિત) પર તેનું પ્રક્ષેપણ ફક્ત અલગ મૂલ્યો લઈ શકે છે: 0, ±1, ±2, ... અથવા સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓની સુંદર રચના ઇલેક્ટ્રોનની સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા અને વેગ પર ઇલેક્ટ્રોન માસની અવલંબન દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે.

પ્રકાશ અણુઓ માટે ઊર્જા સ્તરોના બારીક વિભાજનનું મૂલ્ય ~10 - 5 eV છે.

ભારે અણુઓ માટે, તે ઇલેક્ટ્રોન વોલ્ટના અપૂર્ણાંક સુધી પહોંચી શકે છે.

સબલેવલનો સમૂહ જેમાં ઊર્જા સ્તરનું વિભાજન થાય છે તેને કહેવામાં આવે છે ગુણાંક:ડબલ, ત્રિપુટી, વગેરે

સરળ સ્તરો કે જે સબલેવલમાં વિભાજિત થતા નથી તેને કહેવામાં આવે છે સિંગલ્સ. વર્ણપટ રેખાઓનું બારીક માળખું અચળ a » 1/137 દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. વર્ણપટ રેખાઓનું હાઇપરફાઇન માળખું ઇલેક્ટ્રોન શેલ અને અણુ ન્યુક્લિયસ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે. સોડિયમ માટે, રેખાઓ D 1 અને D 2 એ સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓની સુંદર રચનાનું અભિવ્યક્તિ છે. અંજીર પર. 2, પસંદગીના નિયમો અનુસાર, સંભવિત સંક્રમણો બતાવવામાં આવે છે (સ્કેલ કરવા માટે નહીં).

નીચે વર્ણપટ રેખાઓના હાઇપરફાઇન વિભાજનની અવલોકન કરેલ પેટર્ન છે. ઘટકોની સંબંધિત તીવ્રતા અનુરૂપ ક્વોન્ટમ સંક્રમણો હેઠળ દર્શાવવામાં આવેલા વર્ટિકલ સેગમેન્ટ્સની લંબાઈ આપે છે. હાઇડ્રોજન અણુ માટે, હાયપરફાઇન માળખું જમીન ઊર્જા સ્તર (n = 1, = 0) માટે પણ જોવામાં આવે છે; આ કિસ્સામાં કોઈ સુંદર માળખું નથી. આ ન્યુક્લિયસ (પ્રોટોન) ના સ્પિન વેગ સાથે ઇલેક્ટ્રોનના કુલ કોણીય વેગની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે. જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન હાઇડ્રોજન અણુના ગ્રાઉન્ડ એનર્જી લેવલના હાઇપરફાઇન સ્પ્લિટિંગના બે દેખાતા પેટા સ્તરો વચ્ચેથી પસાર થાય છે, ત્યારે તરંગલંબાઇ l = 21 સે.મી. સાથે રેડિયેશન થાય છે, જે ઇન્ટરસ્ટેલર હાઇડ્રોજન માટે જોવા મળે છે. વર્ણપટ રેખાઓની સુંદર રચનાના અભ્યાસમાં, ચોક્કસ ભૂમિકા ભજવવામાં આવી હતી સરળ અને જટિલ (વિસંગત) ઝીમન અસરો,જે માત્ર પેરામેગ્નેટિક અણુઓમાં જોવા મળે છે, કારણ કે તેમની પાસે બિન-શૂન્ય ચુંબકીય ક્ષણ હોય છે અને તે ચુંબકીય ક્ષેત્ર સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી શકે છે. જ્યારે ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં રેડિયેશન સ્ત્રોત દાખલ કરવામાં આવે છે ત્યારે એક સરળ ઝીમેન અસર જોવા મળે છે, જે ઊર્જા સ્તરો અને વર્ણપટ રેખાઓનું અનેક ઘટકોમાં વિભાજનનું કારણ બને છે. ઝીમેન અસરની ક્વોન્ટમ થિયરી ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં દાખલ થયેલા અણુમાં રેડિયેટિંગ ઇલેક્ટ્રોનના ઊર્જા સ્તરના વિભાજનના વિશ્લેષણ પર આધારિત છે. આ કિસ્સામાં, એવું માનવામાં આવે છે કે ઇલેક્ટ્રોન પાસે માત્ર એક ભ્રમણકક્ષાની ચુંબકીય ક્ષણ છે અને ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં અણુ વધારાની ઊર્જા DW = - m 0 p mz H મેળવે છે, જ્યાં H એ ચુંબકીય ક્ષેત્રની તાકાત છે; p mz એ ચુંબકીય ક્ષેત્રની Z દિશા પર ચુંબકીય ક્ષણનું પ્રક્ષેપણ છે; m 0 - ચુંબકીય સ્થિરાંક.

નબળા ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં, એક જટિલ ઝીમેન અસર જોવા મળે છે.

આ અસર ઇલેક્ટ્રોન સ્પિનની શોધ પછી સમજાવવામાં આવી હતી અને તેનો ઉપયોગ અણુના વેક્ટર મોડેલનું વર્ણન કરવા માટે થાય છે. ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ઊર્જા સ્તરોનું વિભાજન ચુંબકીય પ્રતિધ્વનિની ઘટનાને કારણે થાય છે, જેમાં વૈકલ્પિક ચુંબકીય ક્ષેત્રની ઊર્જાના પસંદગીયુક્ત (પસંદગીયુક્ત) શોષણનો સમાવેશ થાય છે અને તે જ ઝીમેન બહુવિધના સબલેવલ વચ્ચે ફરજિયાત સંક્રમણો સાથે સંકળાયેલ છે, જે સતત ચુંબકીય ક્ષેત્રની ક્રિયાના પરિણામે દેખાય છે. ઇલેક્ટ્રોન ચુંબકીય ક્ષણની હાજરીને કારણે મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ કહેવાય છે. ઇલેક્ટ્રોનિક ચુંબકીય રેઝોનન્સ(ફેરોમેગ્નેટિક રેઝોનન્સ અને ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ). ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ પરમાણુ કણો (પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન) માં ચુંબકીય ક્ષણોની હાજરીને કારણે થાય છે.

ત્યાં પણ છે ઇલેક્ટ્રોન પેરામેગ્નેટિક રેઝોનન્સ, જે સૌપ્રથમ ઇ.કે. 1944 માં ઝવોઇસ્કી

જો અણુમાં સ્પિન અને ભ્રમણકક્ષાની ક્ષણો બિનશૂન્ય હોય, તો સ્પિન અને ઓર્બિટલ ક્ષણોની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે (સ્પિન-ઓર્બિટલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા), ઊર્જા સ્તર વધુ વિભાજિત થઈ શકે છે. પરિણામે, EPR સ્પેક્ટ્રમનો આકાર વધુ જટિલ બને છે અને EPR સ્પેક્ટ્રમમાં એક વર્ણપટ રેખાને બદલે અનેક રેખાઓ દેખાય છે. આ કિસ્સામાં, ઇપીઆર સ્પેક્ટ્રમ એક સુંદર માળખું હોવાનું કહેવાય છે. મજબૂત સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની હાજરીમાં, બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં પણ ઝીમેન સ્તરોનું વિભાજન જોઇ શકાય છે.

સ્પેક્ટ્રલ રેખા પહોળાઈ

EPR સિગ્નલો વર્ણપટ રેખાની ચોક્કસ પહોળાઈ દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. આ એ હકીકતને કારણે છે કે ઝીમેન ઊર્જા સ્તરો જેની વચ્ચે રેઝોનન્ટ સંક્રમણો થાય છે તે અનંત સાંકડી રેખાઓ નથી. જો, અન્ય પેરામેગ્નેટિક કણો અને જાળી સાથે અનપેયર્ડ ઇલેક્ટ્રોનની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને લીધે, આ સ્તરો ગંધાઈ જાય છે, તો પછી પ્રતિધ્વનિ સ્થિતિ H 0 ક્ષેત્રના એક મૂલ્ય પર નહીં, પરંતુ ક્ષેત્રોની ચોક્કસ શ્રેણીમાં અનુભવી શકાય છે. . સ્પિન-સ્પિન અને સ્પિન-જાળીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ જેટલી મજબૂત, સ્પેક્ટ્રલ રેખા જેટલી વિશાળ. મેગ્નેટિક રેઝોનન્સના સિદ્ધાંતમાં, કહેવાતા સ્પિન-લેટીસ રિલેક્સેશન ટાઇમ T1 દ્વારા જાળી સાથે સ્પિન્સની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા અને સ્પિન-સ્પિન રિલેક્સેશન ટાઇમ T2 દ્વારા સ્પિન વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને દર્શાવવાનો રિવાજ છે. એક EPR લાઇનની પહોળાઈ આ પરિમાણોના વિપરિત પ્રમાણસર છે:

આરામનો સમય T1 અને T2 પેરામેગ્નેટિક કેન્દ્રોની પ્રકૃતિ, તેમના પર્યાવરણ, પરમાણુ ગતિશીલતા અને તાપમાન પર આધારિત છે.

વિવિધ ભૌતિક રાસાયણિક પરિબળોના આધારે EPR સ્પેક્ટ્રમના આકારનો અભ્યાસ એ પેરામેગ્નેટિક કેન્દ્રોની પ્રકૃતિ અને ગુણધર્મો વિશેની માહિતીનો એક મહત્વપૂર્ણ સ્ત્રોત છે. રેડિકલના EPR સ્પેક્ટ્રાનો આકાર તેમના પર્યાવરણ અને ગતિશીલતામાં થતા ફેરફારો પ્રત્યે સંવેદનશીલ હોય છે; તેથી, તેનો ઉપયોગ વિવિધ પ્રણાલીઓમાં માઇક્રોવિસ્કોસિટી અને માળખાકીય ફેરફારોનો અભ્યાસ કરવા માટે મોલેક્યુલર પ્રોબ તરીકે થાય છે: સોલ્યુશન, પોલિમર, જૈવિક પટલ અને મેક્રોમોલેક્યુલર સંકુલમાં. ઉદાહરણ તરીકે, સ્પિન પ્રોબ્સના EPR સ્પેક્ટ્રાની તીવ્રતા અને પહોળાઈના તાપમાનની અવલંબનમાંથી, વ્યક્તિ પેરામેગ્નેટિક કેન્દ્રો ધરાવતી સિસ્ટમમાં તબક્કાના સંક્રમણો વિશે મહત્વપૂર્ણ માહિતી મેળવી શકે છે.

ઉપર સૂચિબદ્ધ ઇપીઆર સ્પેક્ટ્રાની લાક્ષણિકતાઓ-જી પરિબળ, ઇપીઆર સ્પેક્ટ્રમનું બારીક અને અતિસૂક્ષ્મ માળખું અને સ્પેક્ટ્રમના વ્યક્તિગત ઘટકોની પહોળાઈ - એ પેરામેગ્નેટિક નમૂનાનો એક પ્રકારનો "પાસપોર્ટ" છે, જેના દ્વારા તમે

EPR સિગ્નલના સ્ત્રોતને ઓળખો અને તેના ભૌતિક રાસાયણિક ગુણધર્મો નક્કી કરો. ઉદાહરણ તરીકે, જૈવિક પદાર્થોના EPR સિગ્નલોનું અવલોકન કરીને, વ્યક્તિ છોડના પાંદડા, પ્રાણીઓના પેશીઓ અને કોષો અને બેક્ટેરિયામાં આંતરકોશીય પ્રક્રિયાઓનું સીધું નિરીક્ષણ કરી શકે છે.

ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ

તાજેતરમાં સુધી, અણુઓ અને પરમાણુઓની રચના વિશેના અમારા વિચારો ઓપ્ટિકલ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને અભ્યાસ પર આધારિત હતા. સ્પેક્ટ્રલ પદ્ધતિઓના સુધારણાના સંદર્ભમાં, જેણે સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક માપનના ક્ષેત્રને અલ્ટ્રાહાઈ (અંદાજે 103–106 MHz; માઇક્રોરેડિયો તરંગો) અને ઉચ્ચ ફ્રીક્વન્સીઝ (અંદાજે 10–2–102 MHz; રેડિયો તરંગો), નવા સ્ત્રોતોની શ્રેણીમાં આગળ વધાર્યું છે. દ્રવ્યની રચના વિશેની માહિતી દેખાય છે. આ આવર્તન શ્રેણીમાં રેડિયેશનના શોષણ અને ઉત્સર્જન દરમિયાન, સમાન મૂળભૂત પ્રક્રિયા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સ્પેક્ટ્રમની અન્ય શ્રેણીઓમાં થાય છે, એટલે કે, જ્યારે એક ઉર્જા સ્તરથી બીજામાં ખસેડવામાં આવે છે, ત્યારે સિસ્ટમ ઊર્જાના જથ્થાને શોષી લે છે અથવા ઉત્સર્જન કરે છે.

આ પ્રક્રિયાઓમાં સામેલ ક્વોન્ટાના સ્તરો અને ઊર્જા વચ્ચેનો ઉર્જા તફાવત રેડિયો આવર્તન ક્ષેત્ર માટે લગભગ 10-7 eV અને માઇક્રોવેવ ફ્રીક્વન્સી માટે લગભગ 10-4 eV છે. બે પ્રકારની રેડિયો સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાં, એટલે કે, ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ (NMR) અને ન્યુક્લિયર ક્વાડ્રપોલ રેઝોનન્સ (NQR) સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, ઊર્જા સ્તરોમાં તફાવત અનુક્રમે લાગુ ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ન્યુક્લિયસના ચુંબકીય દ્વિધ્રુવ ક્ષણોના વિવિધ અભિગમ સાથે સંકળાયેલ છે. અને પરમાણુ વિદ્યુત ક્ષેત્રોમાં ન્યુક્લિયસના ઇલેક્ટ્રિક ચતુર્ભુજ ક્ષણો, જો બાદમાં ગોળાકાર રીતે સપ્રમાણ ન હોય તો.

ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન ઓપ્ટિકલ સ્પેક્ટ્રોમીટરનો ઉપયોગ કરીને કેટલાક અણુઓના ઇલેક્ટ્રોનિક સ્પેક્ટ્રાના હાઇપરફાઇન માળખાનો અભ્યાસ કરતી વખતે અણુ ક્ષણોનું અસ્તિત્વ પ્રથમ વખત શોધવામાં આવ્યું હતું.

બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રના પ્રભાવ હેઠળ, ન્યુક્લિયસની ચુંબકીય ક્ષણો ચોક્કસ રીતે લક્ષી હોય છે, અને આ વિવિધ દિશાઓ સાથે સંકળાયેલ પરમાણુ ઉર્જા સ્તરો વચ્ચેના સંક્રમણોનું અવલોકન કરવું શક્ય બને છે: સંક્રમણો કે જે ચોક્કસ કિરણોત્સર્ગની ક્રિયા હેઠળ થાય છે. આવર્તન ન્યુક્લિયસના ઊર્જા સ્તરોનું પરિમાણ એ ન્યુક્લિયસના કોણીય વેગના ક્વોન્ટમ પ્રકૃતિનું સીધું પરિણામ છે, જે 2I + 1 મૂલ્યો લે છે. સ્પિન ક્વોન્ટમ નંબર (સ્પિન) હું કોઈપણ મૂલ્ય લઈ શકું છું જે ½ નો ગુણાંક હોય.

ચોક્કસ ન્યુક્લી માટે I ના મૂલ્યોની આગાહી કરી શકાતી નથી, પરંતુ એવું જોવામાં આવ્યું છે કે સમૂહ સંખ્યા અને અણુ સંખ્યા બંને ધરાવતા આઇસોટોપ્સમાં પણ I = 0 હોય છે, જ્યારે વિષમ સમૂહ સંખ્યાવાળા આઇસોટોપ્સમાં અર્ધ-પૂર્ણાંક સ્પિન મૂલ્યો હોય છે. આવી સ્થિતિ, જ્યારે ન્યુક્લિયસમાં પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોનની સંખ્યા સમાન અને સમાન હોય છે (I = 0), ડાયમેગ્નેટિક પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રોનની સંપૂર્ણ જોડી સમાન "સંપૂર્ણ જોડી" સાથેની સ્થિતિ તરીકે ગણી શકાય.

1945ના અંતમાં, એફ. બ્લોચ (સ્ટેનફોર્ડ યુનિવર્સિટી)ની આગેવાની હેઠળ અમેરિકન ભૌતિકશાસ્ત્રીઓના બે જૂથો અને ઇ.એમ. પરસેલ (હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટી) એ ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ સિગ્નલ મેળવનાર પ્રથમ હતા. બ્લોચે પાણીમાં પ્રોટોન દ્વારા રેઝોનન્ટ શોષણનું અવલોકન કર્યું અને પરસેલ પેરાફિનમાં પ્રોટોન દ્વારા પરમાણુ રેઝોનન્સ શોધવામાં સફળ રહ્યો. આ શોધ માટે, તેઓને 1952 માં નોબેલ પુરસ્કાર એનાયત કરવામાં આવ્યો હતો.

ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન NMR સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી

NMR ઘટનાનો સાર નીચે પ્રમાણે સમજાવી શકાય છે. જો ચુંબકીય ક્ષણ સાથેના ન્યુક્લિયસને z અક્ષ સાથે નિર્દેશિત સમાન ક્ષેત્ર H 0 માં મૂકવામાં આવે છે, તો તેની ઊર્જા (ક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં ઊર્જાના સંદર્ભમાં) - m z H 0 ની બરાબર છે, જ્યાં m z એ પ્રક્ષેપણ છે. ક્ષેત્રની દિશામાં પરમાણુ ચુંબકીય ક્ષણ.

પહેલેથી જ નોંધ્યું છે તેમ, ન્યુક્લિયસ 2I + 1 રાજ્યોમાં હોઈ શકે છે. બાહ્ય ક્ષેત્ર H 0 ની ગેરહાજરીમાં, આ તમામ અવસ્થાઓ સમાન ઊર્જા ધરાવે છે.

સ્પિન I સાથેના ન્યુક્લિયસમાં અલગ ઊર્જા સ્તર હોય છે. ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ઊર્જા સ્તરના વિભાજનને ન્યુક્લિયર ઝીમેન સ્પ્લિટિંગ કહી શકાય, કારણ કે તે ચુંબકીય ક્ષેત્ર (ઝીમેન અસર)માં ઇલેક્ટ્રોનિક સ્તરના વિભાજન જેવું જ છે.

NMR ઘટના ન્યુક્લીના ચુંબકત્વને કારણે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઊર્જાના રેઝોનન્ટ શોષણમાં સમાવે છે. આ ઘટનાનું સ્પષ્ટ નામ સૂચવે છે: પરમાણુ - અમે ન્યુક્લી, ચુંબકીય સિસ્ટમ વિશે વાત કરી રહ્યા છીએ - અમારો અર્થ ફક્ત તેમના ચુંબકીય ગુણધર્મો, પડઘો - ઘટના પોતે પ્રકૃતિમાં પ્રતિધ્વનિ છે.

NMR સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી એ સંખ્યાબંધ લક્ષણો દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે જે તેને અન્ય વિશ્લેષણાત્મક પદ્ધતિઓથી અલગ પાડે છે. જાણીતા આઇસોટોપ્સના ન્યુક્લીના લગભગ અડધા (~150) ચુંબકીય ક્ષણો ધરાવે છે, પરંતુ તેમાંથી માત્ર એક લઘુમતીનો જ વ્યવસ્થિત ઉપયોગ થાય છે.

પલ્સ્ડ સ્પેક્ટ્રોમીટરના આગમન પહેલાં, મોટાભાગના અભ્યાસો હાઇડ્રોજન ન્યુક્લી (પ્રોટોન) 1H (પ્રોટોન મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ - PMR) અને ફ્લોરિન 19F પર NMR ની ઘટનાનો ઉપયોગ કરીને હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા. આ ન્યુક્લીમાં NMR સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી માટે આદર્શ ગુણધર્મો છે:

* "ચુંબકીય" આઇસોટોપની ઉચ્ચ કુદરતી સામગ્રી (1H 99.98%, 19F 100%); સરખામણી માટે, તે ઉલ્લેખ કરી શકાય છે કે "ચુંબકીય" કાર્બન આઇસોટોપ 13C ની કુદરતી સામગ્રી 1.1% છે;

* મોટી ચુંબકીય ક્ષણ;

* સ્પિન I = 1/2.

ઉપરોક્ત ન્યુક્લીમાંથી સંકેતો શોધવામાં પદ્ધતિની ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા માટે આ મુખ્યત્વે જવાબદાર છે. વધુમાં, ત્યાં એક સૈદ્ધાંતિક રીતે સખત રીતે પ્રમાણિત નિયમ છે જે મુજબ માત્ર એકતાના સમાન અથવા તેનાથી વધુ સ્પિન સાથેના ન્યુક્લીમાં ઇલેક્ટ્રિક ક્વાડ્રપોલ મોમેન્ટ હોય છે. પરિણામે, 1H અને 19F NMR પ્રયોગો વિદ્યુત વાતાવરણ સાથે ન્યુક્લિયસના પરમાણુ ચતુર્ભુજ ક્ષણની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા જટિલ નથી. 13C, 31P, 11B, 17O પ્રવાહી તબક્કામાં (તેમજ 1H અને 19F ન્યુક્લી પર) જેવા અન્ય (1H અને 19F ઉપરાંત) ન્યુક્લી પર રેઝોનન્સ માટે મોટી સંખ્યામાં કામો સમર્પિત કરવામાં આવ્યા છે.

ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન NMR સ્પેક્ટ્રામાં સામાન્ય રીતે વિવિધ રાસાયણિક વાતાવરણમાં ચુંબકીય ન્યુક્લીને અનુરૂપ સાંકડી, સારી રીતે ઉકેલાયેલી રેખાઓ (સિગ્નલો) હોય છે. સ્પેક્ટ્રાના રેકોર્ડિંગ દરમિયાન સંકેતોની તીવ્રતા (વિસ્તારો) દરેક જૂથમાં ચુંબકીય ન્યુક્લીની સંખ્યાના પ્રમાણમાં હોય છે, જે પ્રારંભિક માપાંકન વિના NMR સ્પેક્ટ્રાનો ઉપયોગ કરીને માત્રાત્મક વિશ્લેષણ હાથ ધરવાનું શક્ય બનાવે છે.

એનએમઆરનું બીજું લક્ષણ એ વિનિમય પ્રક્રિયાઓનો પ્રભાવ છે, જેમાં રેઝોનન્ટ સિગ્નલોની સ્થિતિ અને પહોળાઈ પર રેઝોનેટિંગ ન્યુક્લી ભાગ લે છે. આમ, આવી પ્રક્રિયાઓની પ્રકૃતિનો અભ્યાસ કરવા માટે NMR સ્પેક્ટ્રાનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. પ્રવાહી સ્પેક્ટ્રામાં NMR રેખાઓ સામાન્ય રીતે 0.1 - 1 Hz (ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન NMR) ની પહોળાઈ ધરાવે છે, જ્યારે ઘન તબક્કામાં તપાસવામાં આવેલ સમાન મધ્યવર્તી કેન્દ્ર 1 - 104 Hz ની પહોળાઈ સાથે રેખાઓને જન્મ આપશે (તેથી ખ્યાલ NMR વાઈડ લાઈનો).

ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન NMR સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાં, અણુઓની રચના અને ગતિશીલતા વિશે માહિતીના બે મુખ્ય સ્ત્રોત છે:

રાસાયણિક પાળી

વાસ્તવિક પરિસ્થિતિઓમાં, રેઝોનેટિંગ ન્યુક્લી કે જેના NMR સિગ્નલો મળી આવે છે તે અણુઓ અથવા પરમાણુઓના ઘટક છે. જ્યારે અભ્યાસ હેઠળના પદાર્થોને ચુંબકીય ક્ષેત્ર (H 0) માં મૂકવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોનની ભ્રમણકક્ષાની ગતિને કારણે અણુઓ (અણુઓ) ની ડાયમેગ્નેટિક ક્ષણ ઊભી થાય છે. ઈલેક્ટ્રોનની આ હિલચાલ અસરકારક પ્રવાહો બનાવે છે અને તેથી, લેન્ઝના નિયમ અનુસાર અને વિરુદ્ધ નિર્દેશિત ક્ષેત્ર H 0 માટે પ્રમાણસર ગૌણ ચુંબકીય ક્ષેત્ર બનાવે છે. આ ગૌણ ક્ષેત્ર ન્યુક્લિયસ પર કાર્ય કરે છે. આમ, રેઝોનેટિંગ ન્યુક્લિયસ સ્થિત છે તે સ્થાનનું સ્થાનિક ક્ષેત્ર,

જ્યાં σ એ પરિમાણહીન સ્થિરાંક છે, જેને સ્ક્રીનીંગ કોન્સ્ટન્ટ કહેવાય છે, જે H 0 પર નિર્ભર નથી પરંતુ રાસાયણિક (ઈલેક્ટ્રોનિક) પર્યાવરણ પર ખૂબ આધાર રાખે છે; તે H 0 ની સરખામણીમાં Hloc માં ઘટાડો દર્શાવે છે. σ નું મૂલ્ય પ્રોટોન માટે 10 -5 ના ક્રમના મૂલ્યથી ભારે ન્યુક્લી માટે 10 - 2 ના ક્રમના મૂલ્યોમાં બદલાય છે.

સ્ક્રીનીંગ ઇફેક્ટ એ ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક એનર્જીના સ્તરો વચ્ચેનું અંતર ઘટાડવાનું છે અથવા બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, ઝીમેન સ્તરોના કન્વર્જન્સ તરફ દોરી જાય છે. આ કિસ્સામાં, ઉર્જા ક્વોન્ટા જે સ્તરો વચ્ચે સંક્રમણનું કારણ બને છે તે નાનું બને છે અને તેથી, નીચી ફ્રીક્વન્સીઝ પર પડઘો થાય છે. જો રેઝોનન્સ સેટ ન થાય ત્યાં સુધી H0 ફીલ્ડમાં ફેરફાર કરીને પ્રયોગ હાથ ધરવામાં આવે, તો લાગુ ફીલ્ડની મજબૂતાઈ એ કિસ્સામાં કરતાં વધુ હોવી જોઈએ જ્યારે કોર સ્ક્રીનીંગ ન હોય.

મોટા ભાગના NMR સ્પેક્ટ્રોમીટરમાં, જ્યારે ક્ષેત્ર ડાબેથી જમણે બદલાય છે ત્યારે સ્પેક્ટ્રા રેકોર્ડ કરવામાં આવે છે, તેથી સૌથી વધુ કવચવાળા ન્યુક્લીના સંકેતો (શિખરો) સ્પેક્ટ્રમના જમણા ભાગમાં હોવા જોઈએ. રાસાયણિક વાતાવરણના આધારે સિગ્નલની શિફ્ટ, સ્ક્રીનીંગ સ્થિરાંકોમાં તફાવતને કારણે, રાસાયણિક પાળી કહેવામાં આવે છે.

પ્રથમ વખત, રાસાયણિક પાળીની શોધ વિશેના સંદેશાઓ 1950-1951 માં ઘણા પ્રકાશનોમાં દેખાયા. તેમાંથી, આર્નોલ્ડ એટ અલ. (1951) ના કાર્યને અલગ પાડવું જરૂરી છે, જેમણે એક પરમાણુમાં સમાન 1H ન્યુક્લીની રાસાયણિક રીતે જુદી જુદી સ્થિતિઓને અનુરૂપ અલગ રેખાઓ સાથે પ્રથમ સ્પેક્ટ્રમ મેળવ્યું હતું. આ એથિલ આલ્કોહોલ CH3CH2OH છે, જેનું લાક્ષણિક લો-રિઝોલ્યુશન 1H NMR સ્પેક્ટ્રમ ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યું છે. 3.

આ પરમાણુમાં ત્રણ પ્રકારના પ્રોટોન છે: મિથાઈલ જૂથ CH3-ના ત્રણ પ્રોટોન, મિથાઈલિન જૂથના બે પ્રોટોન -CH2- અને હાઈડ્રોક્સિલ જૂથ -OHનો એક પ્રોટોન. તે જોઈ શકાય છે કે ત્રણ અલગ-અલગ સંકેતો ત્રણ પ્રકારના પ્રોટોનને અનુરૂપ છે. સિગ્નલોની તીવ્રતા 3: 2: 1 ના ગુણોત્તરમાં હોવાથી, સ્પેક્ટ્રમનું ડીકોડિંગ (સિગ્નલોની સોંપણી) મુશ્કેલ નથી. કારણ કે રાસાયણિક પાળી ચોક્કસ સ્કેલ પર માપી શકાતી નથી, એટલે કે, તેના તમામ ઇલેક્ટ્રોનથી વંચિત ન્યુક્લિયસની તુલનામાં, સંદર્ભ સંયોજનના સંકેતનો ઉપયોગ શરતી શૂન્ય તરીકે થાય છે. સામાન્ય રીતે, કોઈપણ ન્યુક્લી માટે રાસાયણિક શિફ્ટ મૂલ્યો પરિમાણહીન પરિમાણ δ તરીકે આપવામાં આવે છે.

રાસાયણિક શિફ્ટનું એકમ ફીલ્ડ સ્ટ્રેન્થ અથવા રેઝોનન્ટ ફ્રીક્વન્સી (ppm)નો એક મિલિયનમો ભાગ છે. વિદેશી સાહિત્યમાં, આ ઘટાડો ppm (ભાગો પ્રતિ મિલિયન) ને અનુરૂપ છે. ડાયમેગ્નેટિક સંયોજનો બનાવે છે તેવા મોટાભાગના ન્યુક્લી માટે, તેમના સિગ્નલોના રાસાયણિક પરિવર્તનની શ્રેણી સેંકડો અને હજારો પીપીએમ છે, જે 20,000 પીપીએમ સુધી પહોંચે છે. NMR 59Co (કોબાલ્ટ) ના કિસ્સામાં. 1H સ્પેક્ટ્રામાં, મોટા ભાગના સંયોજનોના પ્રોટોન સિગ્નલો 0 - 10 ppm ની રેન્જમાં હોય છે.

સ્પિન-સ્પિન ક્રિયાપ્રતિક્રિયા

1951-1953 માં, સંખ્યાબંધ પ્રવાહીના NMR સ્પેક્ટ્રાને રેકોર્ડ કરતી વખતે, એવું જણાયું હતું કે કેટલાક પદાર્થોના સ્પેક્ટ્રામાં બિનસમાન ન્યુક્લીની સંખ્યાના સાદા અંદાજ કરતાં વધુ રેખાઓ હોય છે. પ્રથમ ઉદાહરણોમાંનું એક POCl2F પરમાણુમાં ફ્લોરિન પર પડઘો છે. 19F સ્પેક્ટ્રમમાં સમાન તીવ્રતાની બે રેખાઓ હોય છે, જો કે અણુમાં માત્ર એક ફ્લોરિન અણુ હોય છે. અન્ય સંયોજનોના પરમાણુઓ સપ્રમાણતા બહુવિધ સંકેતો (ત્રણ, ક્વાર્ટેટ્સ, વગેરે) આપે છે.

આવા સ્પેક્ટ્રામાં જોવા મળતું બીજું મહત્વનું પરિબળ એ હતું કે રેખાઓ વચ્ચેનું અંતર, ફ્રીક્વન્સી સ્કેલમાં માપવામાં આવે છે, તેના પ્રમાણસર હોવાને બદલે, લાગુ કરેલ ક્ષેત્ર H0 પર આધાર રાખતું નથી, કારણ કે જો તફાવતને કારણે ગુણાકાર ઉદ્ભવે તો તે હોવું જોઈએ. સ્ક્રીનીંગ સ્થિરાંકો.

1952માં રામસે અને પરસેલ આ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને ઇલેક્ટ્રોનિક વાતાવરણ દ્વારા પરોક્ષ સંચાર પદ્ધતિને કારણે છે તેવું દર્શાવીને સમજાવનારા સૌપ્રથમ હતા. ન્યુક્લિયસ સ્પિન આપેલ ન્યુક્લિયસની આસપાસના ઇલેક્ટ્રોનના સ્પિનને દિશામાન કરે છે. તે, બદલામાં, અન્ય ઇલેક્ટ્રોનના સ્પિનને દિશા આપે છે અને તેમના દ્વારા - અન્ય ન્યુક્લીના સ્પિન. સ્પિન-સ્પિન ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની ઊર્જા સામાન્ય રીતે હર્ટ્ઝમાં દર્શાવવામાં આવે છે (એટલે ​​​​કે, E = hn એ હકીકતના આધારે, પ્લાન્ક કોન્સ્ટન્ટને ઊર્જાના એકમ તરીકે લેવામાં આવે છે). તે સ્પષ્ટ છે કે તેને સંબંધિત એકમોમાં વ્યક્ત કરવાની (રાસાયણિક પાળીથી વિપરીત) કોઈ જરૂર નથી, કારણ કે ચર્ચા કરેલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા, જેમ ઉપર નોંધ્યું છે, તે બાહ્ય ક્ષેત્રની મજબૂતાઈ પર આધારિત નથી. ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની તીવ્રતા અનુરૂપ ગુણાંકના ઘટકો વચ્ચેનું અંતર માપીને નક્કી કરી શકાય છે.

સ્પિન-સ્પિન કપલિંગને કારણે વિભાજનનું સૌથી સરળ ઉદાહરણ જે આવી શકે છે તે બે પ્રકારના ચુંબકીય ન્યુક્લી A અને X ધરાવતા પરમાણુનું રેઝોનન્સ સ્પેક્ટ્રમ છે. ન્યુક્લિય A અને X એક જ આઇસોટોપના અલગ ન્યુક્લી અથવા ન્યુક્લી હોઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, 1H ) જ્યારે રાસાયણિક તેમના રેઝોનન્ટ સિગ્નલો વચ્ચેનું પરિવર્તન મોટું હોય છે.

દરેક ડબલટમાં ઘટકો વચ્ચેના અંતરને સ્પિન-સ્પિન કપ્લિંગ કોન્સ્ટન્ટ કહેવામાં આવે છે અને સામાન્ય રીતે J (Hz) તરીકે સૂચવવામાં આવે છે; આ કિસ્સામાં તે JAX સ્થિર છે.

ડબલટ્સની ઘટના એ હકીકતને કારણે છે કે દરેક ન્યુક્લિયસ પડોશી ન્યુક્લિયસની રેઝોનન્સ રેખાઓને 2I + 1 ઘટકોમાં વિભાજિત કરે છે. વિવિધ સ્પિન અવસ્થાઓ વચ્ચેના ઉર્જાનો તફાવત એટલો નાનો છે કે, થર્મલ સંતુલન પર, બોલ્ટ્ઝમેન વિતરણ અનુસાર, આ રાજ્યોની સંભાવનાઓ લગભગ સમાન હોય છે. પરિણામે, એક ન્યુક્લિયસ સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાથી પરિણમતા ગુણાંકની તમામ રેખાઓની તીવ્રતા સમાન હશે. એવા કિસ્સામાં જ્યારે n સમકક્ષ ન્યુક્લિયસ હોય (એટલે ​​​​કે, તેઓ સમાન રીતે ઢાલવાળા હોય છે, તેથી તેમના સિગ્નલોમાં સમાન રાસાયણિક પાળી હોય છે), પડોશી ન્યુક્લિયસનું રેઝોનન્ટ સિગ્નલ 2nI + 1 રેખાઓમાં વિભાજિત થાય છે.

કન્ડેન્સ્ડ દ્રવ્યમાં NMR ની ઘટનાની શોધ પછી તરત જ, તે સ્પષ્ટ થઈ ગયું કે NMR એ પદાર્થની રચના અને તેના ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કરવા માટે એક શક્તિશાળી પદ્ધતિનો આધાર હશે. ખરેખર, એનએમઆર સ્પેક્ટ્રાનો અભ્યાસ કરતી વખતે, અમે ન્યુક્લીની રેઝોનન્ટ સિસ્ટમ તરીકે ઉપયોગ કરીએ છીએ જે ચુંબકીય વાતાવરણ માટે અત્યંત સંવેદનશીલ હોય છે. રેઝોનેટિંગ ન્યુક્લિયસની નજીકના સ્થાનિક ચુંબકીય ક્ષેત્રો ઇન્ટ્રા- અને ઇન્ટરમોલેક્યુલર ઇફેક્ટ્સ પર આધાર રાખે છે, જે ઘણા-ઇલેક્ટ્રોન (મોલેક્યુલર) સિસ્ટમ્સની રચના અને વર્તનનો અભ્યાસ કરવા માટે આ પ્રકારની સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીનું મૂલ્ય નક્કી કરે છે.

હાલમાં, કુદરતી વિજ્ઞાનના એવા ક્ષેત્ર તરફ નિર્દેશ કરવો મુશ્કેલ છે જ્યાં NMR નો અમુક અંશે ઉપયોગ થતો નથી. NMR સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી પદ્ધતિઓનો વ્યાપકપણે રસાયણશાસ્ત્ર, મોલેક્યુલર ફિઝિક્સ, બાયોલોજી, એગ્રોનોમી, મેડિસિન, કુદરતી રચનાઓના અભ્યાસમાં (અબરખ, એમ્બર, અર્ધ-કિંમતી પથ્થરો, જ્વલનશીલ ખનિજો અને અન્ય ખનિજ કાચો માલ), એટલે કે આવા વૈજ્ઞાનિક ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. જેમાં પદાર્થની રચના, તેની પરમાણુ રચના, રાસાયણિક બંધનોની પ્રકૃતિ, આંતરપરમાણુ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ અને આંતરિક ચળવળના વિવિધ સ્વરૂપોનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે.

ફેક્ટરી પ્રયોગશાળાઓમાં તકનીકી પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરવા તેમજ ઉત્પાદનમાં સીધા જ વિવિધ તકનીકી સંદેશાવ્યવહારમાં આ પ્રક્રિયાઓના કોર્સને નિયંત્રિત કરવા અને નિયમન કરવા માટે NMR પદ્ધતિઓનો વધુને વધુ ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. છેલ્લા પચાસ વર્ષોના સંશોધનોએ દર્શાવ્યું છે કે ચુંબકીય પ્રતિધ્વનિ પદ્ધતિઓ પ્રારંભિક તબક્કે જૈવિક પ્રક્રિયાઓમાં વિક્ષેપ શોધી શકે છે. ચુંબકીય રેઝોનન્સ પદ્ધતિઓ (NMR ટોમોગ્રાફી પદ્ધતિઓ) દ્વારા સમગ્ર માનવ શરીરના અભ્યાસ માટે સ્થાપનો વિકસાવવામાં આવ્યા છે અને તેનું ઉત્પાદન કરવામાં આવી રહ્યું છે.

અત્યાર સુધી, અમે સ્પેક્ટ્રાની રચનાની વિશેષતાઓ વિશે વાત કરી રહ્યા છીએ, જે અણુના ઇલેક્ટ્રોન ક્લાઉડના ગુણધર્મો દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે.

જો કે, સ્પેક્ટ્રાની રચનામાં વિગતો કે જે આ દૃષ્ટિકોણથી સમજાવી શકાતી નથી તે લાંબા સમયથી નોંધવામાં આવી છે. આમાં પારાની વ્યક્તિગત રેખાઓની જટિલ રચના અને એલ.એન. ડોબ્રેત્સોવ અને એ.એન. ટેરેનિન દ્વારા 1928માં શોધાયેલ સોડિયમની બે પીળી રેખાઓમાંથી પ્રત્યેકની બેવડી રચનાનો સમાવેશ થાય છે. પછીના કિસ્સામાં, ઘટકો વચ્ચેનું અંતર માત્ર 0.02 A હતું, જે હાઇડ્રોજન અણુની ત્રિજ્યા કરતાં 25 ગણું ઓછું છે. સ્પેક્ટ્રમની રચનાની આ વિગતોને હાઇપરફાઇન સ્ટ્રક્ચર (ફિગ. 266) કહેવામાં આવે છે.

ચોખા. 266. સોડિયમ લાઇનનું હાઇપરફાઇન માળખું.

તેના અભ્યાસ માટે, ફેબ્રી-પેરોટ સ્ટાન્ડર્ડ અને ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશનવાળા અન્ય ઉપકરણોનો સામાન્ય રીતે ઉપયોગ થાય છે. એકબીજા સાથે અણુઓની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા અથવા તેમની થર્મલ ગતિને કારણે સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓનું સહેજ વિસ્તરણ, હાયપરફાઇન સ્ટ્રક્ચરના ઘટકોના મર્જર તરફ દોરી જાય છે. તેથી, મોલેક્યુલર બીમની પદ્ધતિ, જે સૌપ્રથમ L. N. Dobretsov અને A. N. Terenin દ્વારા પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવી હતી, હાલમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. આ પદ્ધતિથી, શૂન્યાવકાશમાં ઉડતા અણુઓના બીમની ચમક અથવા શોષણ જોવા મળે છે.

1924 માં, જાપાની ભૌતિકશાસ્ત્રી નાગાઓકાએ સ્પેક્ટ્રામાં અણુ ન્યુક્લિયસની ભૂમિકા સાથે હાઇપરફાઇન સ્ટ્રક્ચરને સંબંધિત કરવાનો પ્રથમ પ્રયાસ કર્યો. આ પ્રયાસ ખૂબ જ અવિશ્વસનીય સ્વરૂપમાં કરવામાં આવ્યો હતો અને તેના કારણે જાણીતા લોકો તરફથી સંપૂર્ણપણે મજાક ઉડાવવામાં આવી હતી

સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિસ્ટ I. Runge. તેમણે નાગાઓકા અટકના દરેક અક્ષરને મૂળાક્ષરોમાં તેની ક્રમાંકિત સંખ્યા સોંપી અને બતાવ્યું કે આ સંખ્યાઓનું મનસ્વી સંયોજન નાગાઓકાના સિદ્ધાંતની જેમ પ્રાયોગિક ડેટા સાથે સમાન સારો કરાર આપે છે.

જો કે, પાઉલીએ ટૂંક સમયમાં જ પ્રસ્થાપિત કર્યું કે નાગાઓકાના વિચારોમાં સત્યતાનો દાણો હતો અને હાઇપરફાઇન માળખું ખરેખર અણુ ન્યુક્લિયસના ગુણધર્મો સાથે સીધું સંબંધિત હતું.

બે પ્રકારની હાયપરફાઇન રચનાને અલગ પાડવી જોઈએ. પ્રથમ પ્રકાર હાઇપરફાઇન માળખાને અનુરૂપ છે, આપેલ તત્વના વર્ણપટની તમામ રેખાઓ માટે ઘટકોની સમાન સંખ્યા. આ હાયપરફાઇન રચનાનો દેખાવ આઇસોટોપ્સની હાજરી સાથે સંકળાયેલ છે. એક અલગ આઇસોટોપના સ્પેક્ટ્રમનો અભ્યાસ કરતી વખતે, આ પ્રકારની હાઇપરફાઇન રચનાનો માત્ર એક ઘટક રહે છે. પ્રકાશ તત્વો માટે, આવા હાયપરફાઇન માળખાના દેખાવને સરળ યાંત્રિક વિચારણાઓ દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે. § 58 માં, હાઇડ્રોજન અણુને ધ્યાનમાં લેતા, અમે ન્યુક્લિયસને ગતિહીન માનીએ છીએ. હકીકતમાં, ન્યુક્લિયસ અને ઇલેક્ટ્રોન સમૂહના સામાન્ય કેન્દ્રની આસપાસ ફરે છે (ફિગ. 267). ન્યુક્લિયસથી દળના કેન્દ્ર સુધીનું અંતર ખૂબ જ નાનું છે, તે લગભગ સમાન છે જ્યાં ઇલેક્ટ્રોનનું અંતર, ઇલેક્ટ્રોનનું દળ, ન્યુક્લિયસના સમૂહ જેટલું છે.

ચોખા. 267. સમૂહના સામાન્ય કેન્દ્રની આસપાસ ન્યુક્લિયસ અને ઇલેક્ટ્રોનનું પરિભ્રમણ.

પરિણામે, અણુની ઊર્જા થોડી અલગ મૂલ્ય પ્રાપ્ત કરે છે, જે રાયડબર્ગ સ્થિરાંકમાં ફેરફાર તરફ દોરી જાય છે.

જ્યાં રાયડબર્ગનું મૂલ્ય સ્થિર ન્યુક્લિયસને અનુરૂપ હોય છે

આમ, તેના પર આધાર રાખે છે અને પરિણામે, રેખાઓની આવર્તન તેના પર નિર્ભર હોવી જોઈએ કે પછીના સંજોગો ભારે હાઇડ્રોજનની સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક શોધ માટેના આધાર તરીકે સેવા આપે છે. 1932 માં, યુરે, મેફે અને બ્રિકવિડે બાલ્મર શ્રેણીની રેખાના નબળા સાથીઓની શોધ કરી. હાઇડ્રોજન સ્પેક્ટ્રમ.

એમ ધારી રહ્યા છીએ કે આ ઉપગ્રહો બે અણુ વજનવાળા ભારે હાઇડ્રોજન આઇસોટોપની રેખાઓને અનુરૂપ છે, તેઓએ (1) તરંગલંબાઇનો ઉપયોગ કરીને ગણતરી કરી અને પ્રાયોગિક ડેટા સાથે તેમની સરખામણી કરી.

ફોર્મ્યુલા (1) મુજબ, મધ્યમ અને મોટા અણુ વજનવાળા તત્વો માટે, આઇસોટોપની અસર અદૃશ્યપણે ઓછી હોવી જોઈએ.

મધ્યમ વજનવાળા તત્વો માટે આ નિષ્કર્ષ પ્રાયોગિક રીતે પુષ્ટિ થયેલ છે, પરંતુ, વિચિત્ર રીતે, ભારે તત્વો માટેના ડેટા સાથે તીવ્ર વિરોધાભાસમાં છે. ભારે તત્વો સ્પષ્ટપણે આઇસોટોપિક હાઇપરફાઇન માળખું દર્શાવે છે. ઉપલબ્ધ સિદ્ધાંત મુજબ, આ કિસ્સામાં, તે હવે સમૂહ નથી જે ભૂમિકા ભજવે છે, પરંતુ ન્યુક્લિયસના મર્યાદિત પરિમાણો.

SI સિસ્ટમમાં મીટરની વ્યાખ્યા (GOST 9867-61) ક્રિપ્ટોનના આઇસોટોપને સૂચવીને હાઇપરફાઇન સ્ટ્રક્ચરની ભૂમિકાને ધ્યાનમાં લે છે: "મીટર એ સંક્રમણને અનુરૂપ રેડિયેશનના શૂન્યાવકાશમાં 1650763.73 તરંગલંબાઇની સમાન લંબાઈ છે. ક્રિપ્ટોન અણુ 86 ના સ્તરો વચ્ચે.

બીજા પ્રકારનું હાઇપરફાઇન માળખું આઇસોટોપ્સના મિશ્રણની હાજરી સાથે સંકળાયેલું નથી; ખાસ કરીને, બિસ્મથમાં આ પ્રકારનું હાઇપરફાઇન માળખું જોવા મળે છે, જેમાં માત્ર એક આઇસોટોપ હોય છે.

બીજા પ્રકારની હાયપરફાઇન રચનામાં સમાન તત્વની વિવિધ વર્ણપટ રેખાઓ માટે અલગ આકાર હોય છે. હાઈપરફાઈન સ્ટ્રક્ચરનો બીજો પ્રકાર પાઉલી દ્વારા સમજાવવામાં આવ્યો હતો, જેણે ન્યુક્લિયસને તેના પોતાના યાંત્રિક ટોર્ક (સ્પિન)ને આભારી છે,

ચોખા. 268. સોડિયમની પીળી રેખાઓની હાઇપરફાઇન રચનાનું મૂળ.

અણુની કુલ પરિભ્રમણીય ક્ષણ પરમાણુ ક્ષણના વેક્ટર સરવાળા અને ઇલેક્ટ્રોન શેલની ક્ષણ જેટલી હોય છે. તમામ અણુ ક્ષણોની જેમ કુલ ટોર્કનું પરિમાણ હોવું આવશ્યક છે. તેથી, અવકાશી પરિમાણ ફરીથી ઉદભવે છે - ઇલેક્ટ્રોન શેલ ટોર્કની તુલનામાં પરમાણુ ટોર્કના ફક્ત ચોક્કસ દિશાઓને મંજૂરી છે. દરેક ઓરિએન્ટેશન અણુ ઊર્જાના ચોક્કસ સબલેવલને અનુલક્ષે છે. ગુણાકારની જેમ, અહીં અલગ-અલગ સબલેવલ અણુની ચુંબકીય ઊર્જાના અલગ જથ્થાને અનુરૂપ છે. પરંતુ ન્યુક્લિયસનું દળ ઇલેક્ટ્રોનના દળ કરતાં હજારો ગણું વધારે છે, અને તેથી ન્યુક્લિયસની ચુંબકીય ક્ષણ ઇલેક્ટ્રોનની ચુંબકીય ક્ષણ કરતાં લગભગ સમાન સંખ્યા જેટલી ઓછી છે. આમ, પરમાણુ ક્ષણના અભિગમમાં ફેરફારને લીધે ઊર્જામાં માત્ર ખૂબ જ નાના ફેરફારો થવા જોઈએ, જે રેખાઓની અતિશય રચનામાં દેખાય છે. અંજીર પર. 268 સોડિયમના હાઇપરફાઇન માળખાના આકૃતિઓ બતાવે છે. દરેક ઉર્જા સ્તરની જમણી બાજુએ કુલ ટોર્ક દર્શાવતી સંખ્યા છે. સોડિયમના અણુ ન્યુક્લિયસની સ્પિન સમાન હોવાનું બહાર આવ્યું

આકૃતિમાંથી જોઈ શકાય છે તેમ, દરેક પીળી સોડિયમ લાઇનમાં મોટી સંખ્યામાં ઘટકોનો સમાવેશ થાય છે, જે, અપર્યાપ્ત રીઝોલ્યુશન સાથે, બે સાંકડી ડબલ્સની જેમ દેખાય છે. હાઇપરફાઇન સ્ટ્રક્ચર (ખાસ કરીને, નાઇટ્રોજન માટે) ના પૃથ્થકરણથી નક્કી કરાયેલ ન્યુક્લીની રોટેશનલ ક્ષણો ન્યુક્લિયસની રચનામાં ઇલેક્ટ્રોનના અસ્તિત્વની પૂર્વધારણા સાથે વિરોધાભાસી હોવાનું બહાર આવ્યું છે, જેનો ઉપયોગ ડી.ડી. ઇવાનેન્કો દ્વારા ભારપૂર્વક કરવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. ન્યુક્લીમાં પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન (§ 86) હોય છે.

ત્યારબાદ (1939 થી), પરમાણુ ક્ષણો નક્કી કરવા માટે વધુ સચોટ રબી રેડિયોસ્પેક્ટ્રોગ્રાફિક પદ્ધતિનો ઉપયોગ થવા લાગ્યો.

પરમાણુ ચુંબકીય ક્ષણો નક્કી કરવા માટે રાબીની રેડિયો સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક સ્કીમ છે, જેમ કે, બે સ્ટર્ન-ગેર્લાચ સુવિધાઓ (પૃ. 317) અસંગત ચુંબકીય ક્ષેત્રોની પરસ્પર વિરુદ્ધ દિશાઓ સાથે શ્રેણીમાં ગોઠવાયેલી છે. મોલેક્યુલર બીમ અનુગામી બંને સ્થાપનોમાં પ્રવેશ કરે છે. જો પ્રથમ સેટઅપમાં મોલેક્યુલર બીમ જમણી તરફ વળેલું હોય, ઉદાહરણ તરીકે, તો બીજા સેટઅપમાં તે ડાબી તરફ વળેલું હોય. એક સેટિંગની અસર બીજાની અસરને વળતર આપે છે. આ બે સેટિંગ્સ વચ્ચે એક ઉપકરણ છે જે વળતરનું ઉલ્લંઘન કરે છે. તેમાં ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટનો સમાવેશ થાય છે જે એક સમાન ચુંબકીય ક્ષેત્ર બનાવે છે, અને ઉચ્ચ-આવર્તન ઓસિલેશનના જનરેટર સાથે જોડાયેલા ઇલેક્ટ્રોડ. પ્રથમ સ્ટર્ન-ગેર્લાચ ઇન્સ્ટોલેશનમાં સમાન ચુંબકીય ક્ષેત્ર ચુંબકીય ક્ષેત્રની સમાંતર નિર્દેશિત છે.

ક્ષેત્રની દિશા તરફના ખૂણા પર નિર્દેશિત ચુંબકીય ક્ષણ સાથેના કણમાં સંભવિત ઊર્જા હોય છે (વોલ્યુમ II, § 58). સમાન કોણ પ્રથમ સ્ટર્ન-ગેર્લાચ સેટઅપમાં બીમ ડિફ્લેક્શનનું પ્રમાણ નક્કી કરે છે. ઉચ્ચ-આવર્તન ક્ષેત્રની ક્રિયા હેઠળ, ચુંબકીય ક્ષણની દિશા બદલાઈ શકે છે અને ચુંબકીય ઊર્જા સમાન બની જાય છે. ચુંબકીય ઊર્જામાં આ ફેરફાર ફોટોનની ઊર્જા જેટલો હોવો જોઈએ જે સંક્રમણનું કારણ બને છે (શોષણ અથવા ફરજિયાત સંક્રમણ, § 73):

સંભવિત મૂલ્યો અવકાશી પરિમાણ કાયદા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. બીજા સેટઅપમાં બીમ ડિફ્લેક્શન એંગલ પર આધાર રાખે છે કારણ કે કોણ કોણ સમાન નથી, આ ડિફ્લેક્શન પ્રથમ સેટઅપમાં ડિફ્લેક્શન સમાન હશે નહીં અને વળતરનું ઉલ્લંઘન કરવામાં આવશે. વિચલનોના વળતરનું ઉલ્લંઘન ફક્ત ફ્રીક્વન્સીઝ પર જ જોવા મળે છે જે ઉલ્લેખિત ગુણોત્તરને સંતોષે છે; બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, અવલોકન કરાયેલ અસર એ રેઝોનન્સ અસર છે, જે પદ્ધતિની ચોકસાઈને મોટા પ્રમાણમાં સુધારે છે. માપેલ ફ્રીક્વન્સીઝમાંથી, ન્યુક્લીની ચુંબકીય ક્ષણોની ગણતરી મહાન ચોકસાઈ સાથે કરવામાં આવે છે.

જો કે, પરંપરાગત ઓપ્ટિકલ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી આઇસોટોપિક અસરોના અભ્યાસ માટે તેનું સંપૂર્ણ મૂલ્ય જાળવી રાખે છે, જ્યાં રેડિયોસ્પેક્ટ્રોસ્કોપી મૂળભૂત રીતે અયોગ્ય છે. પરમાણુ દળો અને ઇન્ટ્રાન્યુક્લિયર પ્રક્રિયાઓના સિદ્ધાંત માટે આઇસોટોપિક અસરો ખાસ રસ ધરાવે છે.

તાજેતરના વર્ષોમાં, સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિસ્ટ ફરીથી હાઇડ્રોજનના સ્પેક્ટ્રમના સંપૂર્ણ અભ્યાસમાં પાછા ફર્યા છે. હાઇડ્રોજનનો સ્પેક્ટ્રમ નવી શોધોનો શાબ્દિક રીતે અખૂટ સ્ત્રોત બન્યો.

§ 59 માં પહેલેથી જ કહેવામાં આવ્યું છે કે, જ્યારે ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન સાધનો સાથે તપાસ કરવામાં આવે છે, ત્યારે હાઇડ્રોજન સ્પેક્ટ્રમની દરેક લાઇન બમણી હોવાનું બહાર આવે છે. લાંબા સમયથી એવું માનવામાં આવે છે કે હાઇડ્રોજન સ્પેક્ટ્રમની આ સૂક્ષ્મ વિગતોનો સિદ્ધાંત પ્રાયોગિક ડેટા સાથે ઉત્તમ કરારમાં છે. પરંતુ, 1934 માં શરૂ કરીને, સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિસ્ટોએ સિદ્ધાંત અને અનુભવ વચ્ચેના નાના વિસંગતતાઓના અસ્તિત્વને કાળજીપૂર્વક દર્શાવવાનું શરૂ કર્યું. વિસંગતતાઓ માપનની ચોકસાઈની અંદર હતી. અસરોની નાનીતા નીચેના આંકડાઓ દ્વારા નક્કી કરી શકાય છે: સિદ્ધાંત અનુસાર, રેખામાં મૂળભૂત રીતે નીચેની તરંગ સંખ્યાઓ સાથે બે રેખાઓ હોવી જોઈએ: 15233.423 અને તરંગ સંખ્યાઓનો સૈદ્ધાંતિક તફાવત ટકાના માત્ર હજારમા ભાગનો છે. દરેક વેવ નંબર. પ્રયોગે આ તફાવત માટે મૂલ્ય આપ્યું, લગભગ 2% ઓછા મિશેલસને એકવાર કહ્યું હતું કે "આપણે છઠ્ઠા દશાંશ સ્થાને અમારી ભાવિ શોધો જોઈએ." અહીં આપણે આઠમા દશાંશ સ્થાનની વિસંગતતા વિશે વાત કરી રહ્યા છીએ. 1947 માં, લેમ્બ અને રાઇઝરફોર્ડ એ જ સમસ્યામાં પાછા ફર્યા, પરંતુ ભૌતિક પ્રયોગ તકનીકમાં નવીનતમ પ્રગતિનો ઉપયોગ કરીને. જૂની થિયરી ફિગમાં દર્શાવેલ રેખા માટે નીચા ઉર્જા સ્તરની યોજના તરફ દોરી ગઈ. 269.

પ્રકાશ તરંગલંબાઇ સાથે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશન છે l 10-3 થી 10-8 મીટર સુધી. આ તરંગલંબાઇ શ્રેણીમાં ઇન્ફ્રારેડ (IR), દૃશ્યમાન અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ (UV) પ્રદેશોનો સમાવેશ થાય છે. સ્પેક્ટ્રમનું ઇન્ફ્રારેડ અંતરાલ ( l\u003d 1 mm ø 750 nm) દૂર (1 mm ø 50 µm), મધ્યમ (50 ø 2.5 µm) અને નજીકના (2.5 µm ø 750 nm) પ્રદેશોમાં વહેંચાયેલું છે. ઓરડાના તાપમાને, કોઈપણ પદાર્થનું શરીર દૂરના ઇન્ફ્રારેડ પ્રદેશમાં ફેલાય છે, સફેદ ગરમીના તાપમાને, કિરણોત્સર્ગ નજીકના ઇન્ફ્રારેડ તરફ જાય છે અને પછી સ્પેક્ટ્રમના દૃશ્યમાન ભાગમાં જાય છે. દૃશ્યમાન સ્પેક્ટ્રમ 750 nm (લાલ સરહદ) થી 400 nm (વાયોલેટ સરહદ) સુધી વિસ્તરે છે. આ તરંગલંબાઇનો પ્રકાશ માનવ આંખ દ્વારા જોવામાં આવે છે, અને તે આ પ્રદેશમાં છે કે અણુઓની મોટી સંખ્યામાં વર્ણપટ રેખાઓ પડે છે. 400 થી 200 nm સુધીની શ્રેણી અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રદેશને અનુરૂપ છે, પછી શૂન્યાવકાશ અલ્ટ્રાવાયોલેટ લગભગ 1 × 10 nm સુધી અનુસરે છે. રેન્જ.

સૈદ્ધાંતિક આધાર

દરેક પરમાણુ અને પરમાણુ એક અનન્ય માળખું ધરાવે છે, જે તેના પોતાના અનન્ય સ્પેક્ટ્રમને અનુરૂપ છે.

અણુ, પરમાણુ અથવા તેમના દ્વારા રચાયેલી મેક્રોસિસ્ટમના વર્ણપટની રચના તેમના ઉર્જા સ્તરો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના નિયમો અનુસાર, દરેક ઊર્જા સ્તર ચોક્કસ ક્વોન્ટમ સ્થિતિને અનુરૂપ છે. આ સ્થિતિમાં ઇલેક્ટ્રોન અને ન્યુક્લી લાક્ષણિક સામયિક ગતિ કરે છે, જેના માટે ઊર્જા, ભ્રમણકક્ષા કોણીય વેગ અને અન્ય ભૌતિક જથ્થાઓને સખત રીતે વ્યાખ્યાયિત અને પરિમાણિત કરવામાં આવે છે, એટલે કે. ક્વોન્ટમ નંબરોના પૂર્ણાંક અને અર્ધ-પૂર્ણાંક મૂલ્યોને અનુરૂપ માત્ર માન્ય અલગ મૂલ્યો લો. જો ઇલેક્ટ્રોન અને ન્યુક્લીને એક જ સિસ્ટમમાં બાંધતા દળો જાણીતા છે, તો પછી, ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના નિયમો અનુસાર, વ્યક્તિ તેના ઉર્જા સ્તરો અને ક્વોન્ટમ સંખ્યાઓની ગણતરી કરી શકે છે, તેમજ સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓની તીવ્રતા અને ફ્રીક્વન્સીઝની આગાહી કરી શકે છે. બીજી બાજુ, કોઈ ચોક્કસ સિસ્ટમના સ્પેક્ટ્રમનું વિશ્લેષણ કરીને, વ્યક્તિ રાજ્યોની ઊર્જા અને ક્વોન્ટમ નંબરો નક્કી કરી શકે છે, તેમજ તેમાં કામ કરતા દળો વિશે નિષ્કર્ષ કાઢી શકે છે. આમ, સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી એ ક્વોન્ટમ યાંત્રિક જથ્થાઓ અને અણુઓ અને અણુઓની રચના વિશેની માહિતીનો મુખ્ય સ્ત્રોત છે.

અણુમાં, ન્યુક્લિયસ અને ઇલેક્ટ્રોન વચ્ચેની સૌથી મજબૂત ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક અથવા કુલોમ્બ, દળોને કારણે છે. દરેક ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસ તરફ આકર્ષાય છે અને અન્ય તમામ ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા ભગાડવામાં આવે છે. આ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઇલેક્ટ્રોનના ઊર્જા સ્તરોની રચના નક્કી કરે છે. બાહ્ય (સંયોજકતા) ઈલેક્ટ્રોન, એક સ્તરથી બીજા સ્તરે જતા, નજીકના ઇન્ફ્રારેડ, દૃશ્યમાન અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રદેશોમાં કિરણોત્સર્ગને ઉત્સર્જન અથવા શોષી લે છે. આંતરિક શેલના સ્તરો વચ્ચેની સંક્રમણ ઊર્જા સ્પેક્ટ્રમના શૂન્યાવકાશ અલ્ટ્રાવાયોલેટ અને એક્સ-રે વિસ્તારોને અનુરૂપ છે. ઇલેક્ટ્રોનની ચુંબકીય ક્ષણો પર ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રની અસર નબળી છે. આ ઈલેક્ટ્રોનિક ઉર્જા સ્તરોના વિભાજન તરફ દોરી જાય છે અને તે મુજબ, દરેક વર્ણપટ રેખાને ઘટકોમાં (ઝીણી માળખું) બનાવે છે. વધુમાં, પરમાણુ ક્ષણ સાથેનું ન્યુક્લિયસ પરિભ્રમણ કરતા ઈલેક્ટ્રોનના વિદ્યુત ક્ષેત્ર સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી શકે છે, જેના કારણે ઉર્જા સ્તરોનું અતિશય વિભાજન થાય છે.

જ્યારે બે કે તેથી વધુ અણુઓ એકબીજાની નજીક આવે છે, ત્યારે પરસ્પર આકર્ષણ અને પ્રતિકૂળ શક્તિઓ તેમના ઇલેક્ટ્રોન અને ન્યુક્લી વચ્ચે કાર્ય કરવાનું શરૂ કરે છે. દળોના પરિણામી સંતુલનથી અણુઓની સિસ્ટમની કુલ ઊર્જામાં ઘટાડો થઈ શકે છે - આ કિસ્સામાં, એક સ્થિર પરમાણુ રચાય છે. પરમાણુનું માળખું મુખ્યત્વે અણુઓના વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, અને પરમાણુ બોન્ડ ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના નિયમોનું પાલન કરે છે. પરમાણુમાં, આયનીય અને સહસંયોજક બોન્ડ મોટાભાગે મોલેક્યુલ સ્ટ્રક્ચર તરીકે જોવા મળે છે). પરમાણુમાંના પરમાણુ સતત કંપનનો અનુભવ કરે છે, અને પરમાણુ પોતે સંપૂર્ણ રીતે ફરે છે, તેથી તેમાં નવા ઊર્જા સ્તરો છે જે અલગ અણુઓમાં ગેરહાજર છે. રોટેશનલ એનર્જી વાઇબ્રેશનલ એનર્જી કરતા ઓછી હોય છે અને વાઇબ્રેશનલ એનર્જી ઇલેક્ટ્રોનિક એનર્જી કરતા ઓછી હોય છે. આમ, એક પરમાણુમાં, દરેક ઈલેક્ટ્રોનિક ઉર્જા સ્તરને નજીકથી અંતરવાળા સ્પંદન સ્તરોમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે, અને દરેક કંપન સ્તર, બદલામાં, નજીકના અંતરે રોટેશનલ સબલેવલમાં વિભાજિત થાય છે. પરિણામે, મોલેક્યુલર સ્પેક્ટ્રામાં વાઇબ્રેશનલ ટ્રાન્ઝિશનમાં રોટેશનલ સ્ટ્રક્ચર હોય છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોનિક ટ્રાન્ઝિશનમાં વાઇબ્રેશનલ અને રોટેશનલ સ્ટ્રક્ચર હોય છે. સમાન કંપનશીલ સ્થિતિના પરિભ્રમણ સ્તરો વચ્ચેના સંક્રમણો દૂરના ઇન્ફ્રારેડ અને માઇક્રોવેવ પ્રદેશોમાં આવે છે, અને સમાન ઇલેક્ટ્રોનિક રાજ્યના કંપન સ્તરો વચ્ચેના સંક્રમણો ઇન્ફ્રારેડ પ્રદેશની આવર્તનને અનુરૂપ છે. સ્પંદન સ્તરોના રોટેશનલ સબલેવલમાં વિભાજનને કારણે, દરેક સંક્રમણ ઘણા સ્પંદન-રોટેશનલ સંક્રમણોમાં વિભાજીત થાય છે, બેન્ડ બનાવે છે. એ જ રીતે, પરમાણુઓના ઇલેક્ટ્રોનિક સ્પેક્ટ્રા એ ઇલેક્ટ્રોનિક સંક્રમણોની શ્રેણી છે જે કંપન અને રોટેશનલ સંક્રમણોના નજીકથી અંતરે આવેલા સબલેવલ દ્વારા વિભાજિત થાય છે.

દરેક અણુ એક ક્વોન્ટમ સિસ્ટમ હોવાથી (એટલે ​​​​કે, ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના નિયમોનું પાલન કરે છે), તેના ગુણધર્મો, જેમાં સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓની આવર્તન અને તીવ્રતાનો સમાવેશ થાય છે, જો આપેલ સિસ્ટમ માટે તેનું હેમિલ્ટોનિયન આપવામાં આવે તો તેની ગણતરી કરી શકાય છે. હેમિલ્ટોનિયન એચઓપરેટર સ્વરૂપમાં પ્રસ્તુત અણુ (ગતિ વત્તા સંભવિત)ની કુલ ઊર્જા છે. (એક ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ઓપરેટર એ ગાણિતિક અભિવ્યક્તિ છે જેના દ્વારા ભૌતિક જથ્થાની ગણતરી કરવામાં આવે છે.) દળ સાથેના કણની ગતિ ઊર્જા tઅને ક્ષણ આરની બરાબર છે આર 2 /2m. સિસ્ટમની સંભવિત ઉર્જા સિસ્ટમને એક સંપૂર્ણમાં જોડતી તમામ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની ઊર્જાના સરવાળા જેટલી છે. જો હેમિલ્ટોનિયન આપવામાં આવે છે, તો પછી ઊર્જા ઇદરેક ક્વોન્ટમ અવસ્થાને શ્રોડિન્જર સમીકરણ ઉકેલીને શોધી શકાય છે Нy = Еy, ક્યાં yસિસ્ટમની ક્વોન્ટમ સ્થિતિનું વર્ણન કરતું વેવ ફંક્શન છે.

અણુઓનું સ્પેક્ટ્રા અને માળખું

હાઇડ્રોજન અણુ.

ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના દૃષ્ટિકોણથી, હાઇડ્રોજન અણુ અને કોઈપણ હાઇડ્રોજન-જેવા આયન (ઉદાહરણ તરીકે, He ++, વગેરે) એ એક દળ સાથે એક ઇલેક્ટ્રોનનો સમાવેશ કરતી સૌથી સરળ સિસ્ટમ છે. mઅને ચાર્જ -e, જે ન્યુક્લિયસના કુલોમ્બ ક્ષેત્રમાં ફરે છે, જેમાં દળ હોય છે એમઅને ચાર્જ + ઝે(ઝેડતત્વની ક્રમાંકિત સંખ્યા છે). જો આપણે માત્ર ઈલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને ધ્યાનમાં લઈએ, તો અણુની સંભવિત ઊર્જા છે - ઝે 2 /આર, અને હેમિલ્ટોનીયન પાસે ફોર્મ હશે H=p 2 /2m - ઝે 2 /આર, ક્યાં m = tm/(m+ એમ) @ mવિભેદક સ્વરૂપમાં, ઓપરેટર પી 2 બરાબર - ћ 2 C 2, જ્યાં ћ = ક/2પૃષ્ઠઆમ, શ્રોડિન્જર સમીકરણ સ્વરૂપ લે છે

આ સમીકરણનો ઉકેલ સ્થિર અવસ્થાઓની શક્તિઓ નક્કી કરે છે ( E 0) પાણી જેવો અણુ:

તરીકે m/એમ@ 1/2000 અને mનજીક m, પછી

ઇ એન = –આરઝેડ 2 /n 2 .

જ્યાં આરરાયડબર્ગ સમાન સ્થિર છે આર= મને 4 /2ћ 2 @ 13.6 eV (અથવા @ 109678 cm - 1); એક્સ-રે સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાં, રાયડબર્ગનો ઉપયોગ ઊર્જાના એકમ તરીકે થાય છે. અણુની ક્વોન્ટમ સ્થિતિઓ ક્વોન્ટમ સંખ્યાઓ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે n, lઅને m l. મુખ્ય ક્વોન્ટમ નંબર પીપૂર્ણાંક મૂલ્યો લે છે 1, 2, 3.... અઝીમુથલ ક્વોન્ટમ નંબર lન્યુક્લિયસ (ઓર્બિટલ વેગ) ને સંબંધિત ઇલેક્ટ્રોનના કોણીય વેગની તીવ્રતા નક્કી કરે છે; આપેલ પીતે મૂલ્યો લઈ શકે છે l = 0, 1, 2,..., પી- 1. ભ્રમણકક્ષાના વેગનો વર્ગ બરાબર છે l(l+l) ћ 2. ક્વોન્ટમ નંબર m lઆપેલ દિશા પર ભ્રમણકક્ષાના વેગના પ્રક્ષેપણનું મૂલ્ય નક્કી કરે છે, તે મૂલ્યો લઈ શકે છે m l= 0, ± 1, ± 2,..., ± l. ભ્રમણકક્ષાના વેગનું પ્રક્ષેપણ પોતે બરાબર છે m લ ћ. મૂલ્યો l= 0, 1, 2, 3, 4, ... સામાન્ય રીતે અક્ષરો દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે s,પી,ડી,f,g,.... તેથી, સ્તર 2 આરહાઇડ્રોજનમાં ક્વોન્ટમ નંબરો છે n = 2 અને l = 1.

સામાન્ય રીતે કહીએ તો, સ્પેક્ટ્રલ સંક્રમણો કોઈપણ રીતે ઊર્જા સ્તરોની તમામ જોડી વચ્ચે થઈ શકતા નથી. ઇલેક્ટ્રીક દ્વિધ્રુવ સંક્રમણો, સૌથી મજબૂત સ્પેક્ટ્રલ અભિવ્યક્તિઓ સાથે, માત્ર અમુક શરતો (પસંદગી નિયમો) હેઠળ થાય છે. પસંદગીના નિયમોને સંતોષતા સંક્રમણોને મંજૂર કહેવામાં આવે છે, અન્ય સંક્રમણોની સંભાવના ઘણી ઓછી છે, તેનું અવલોકન કરવું મુશ્કેલ છે અને તેને પ્રતિબંધિત ગણવામાં આવે છે.

હાઇડ્રોજન અણુમાં, રાજ્યો વચ્ચે સંક્રમણો plm એલઅને પીў lў m l¢ શક્ય છે જો નંબર lએક દ્વારા બદલાય છે, અને સંખ્યા m lસ્થિર રહે છે અથવા એક પછી એક બદલાય છે. આમ, પસંદગીના નિયમો લખી શકાય છે:

ડી l = l – lў = ± 1, ડી m l = m lў = 0, ± 1.

નંબરો માટે પીઅને પી¢ પસંદગીના કોઈ નિયમો નથી.

ઊર્જા સાથેના બે સ્તરો વચ્ચેના ક્વોન્ટમ સંક્રમણમાં ઇ એન¢ અને ઇ એનઅણુ ફોટોનનું ઉત્સર્જન અથવા શોષણ કરે છે જેની ઊર્જા D છે E = E nў - ઇ એન.ફોટોનની આવર્તન થી n= ડી ઇ/ક,હાઇડ્રોજન અણુની વર્ણપટ રેખાઓની ફ્રીક્વન્સીઝ ( ઝેડ= 1) સૂત્ર દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે

અને અનુરૂપ તરંગલંબાઇ છે l = સાથે/n. મૂલ્યો માટે પીў = 2, પી= 3, 4, 5,... હાઇડ્રોજનના ઉત્સર્જન સ્પેક્ટ્રમમાં લાઇન ફ્રીક્વન્સીઝ બાલ્મર શ્રેણી (દૃશ્યમાન પ્રકાશ અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રદેશની નજીક) ને અનુરૂપ છે અને તે પ્રયોગમૂલક બાલ્મર સૂત્ર સાથે સારી રીતે સંમત છે. એલ એન = 364,56 n 2 /(n 2 - 4) nm. આ બે અભિવ્યક્તિઓની તુલના કરવાથી, કોઈ મૂલ્ય નક્કી કરી શકે છે આર. અણુ હાઇડ્રોજનના સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક અભ્યાસ એ સિદ્ધાંત અને પ્રયોગનું ઉત્તમ ઉદાહરણ છે જેણે મૂળભૂત વિજ્ઞાનમાં મોટો ફાળો આપ્યો છે.

હાઇડ્રોજન અણુની સુંદર રચના.

ઉપર ચર્ચા કરેલ સ્તરોના સાપેક્ષ ક્વોન્ટમ યાંત્રિક સિદ્ધાંતની મુખ્યત્વે અણુ સ્પેક્ટ્રાના વિશ્લેષણ દ્વારા પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી, પરંતુ હાઇડ્રોજન અણુના ઉર્જા સ્તરોના વિભાજન અને સૂક્ષ્મ માળખું સમજાવ્યું ન હતું. અણુ હાઇડ્રોજનના સ્તરોની ઝીણી રચનાને બે ચોક્કસ સાપેક્ષવાદી અસરોને ધ્યાનમાં લઈને સમજાવી શકાય છે: સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા અને વેગ પર ઇલેક્ટ્રોન માસની અવલંબન. ઇલેક્ટ્રોન સ્પિનની વિભાવના, જે મૂળરૂપે પ્રાયોગિક માહિતીના પૃથ્થકરણમાંથી ઉદ્દભવી હતી, તેને પી. ડિરાક દ્વારા વિકસિત સાપેક્ષવાદના સિદ્ધાંતમાં સૈદ્ધાંતિક સમર્થન પ્રાપ્ત થયું હતું, જેમાંથી તેણે અનુસર્યું હતું કે ઇલેક્ટ્રોનનું પોતાનું કોણીય મોમેન્ટમ અથવા સ્પિન હોય છે અને તેને અનુરૂપ ચુંબકીય ક્ષણ. સ્પિન ક્વોન્ટમ નંબર s 1/2 ની બરાબર છે, અને નિશ્ચિત ધરી પર સ્પિનનું પ્રક્ષેપણ મૂલ્યો લે છે m s= ±1/2. ન્યુક્લિયસના રેડિયલ ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડમાં ભ્રમણકક્ષામાં ફરતા ઇલેક્ટ્રોન, ચુંબકીય ક્ષેત્ર બનાવે છે. આ ક્ષેત્ર સાથે ઇલેક્ટ્રોનની આંતરિક ચુંબકીય ક્ષણની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કહેવામાં આવે છે.

ઈલેક્ટ્રોનના ઉચ્ચ ભ્રમણ વેગને કારણે ગતિ ઊર્જામાં સાપેક્ષતાવાદી કરેક્શનથી ફાઈન સ્ટ્રક્ચરમાં વધારાનો ફાળો આવે છે. આ અસર સૌપ્રથમ એન. બોહર અને એ. સોમરફેલ્ડ દ્વારા શોધી કાઢવામાં આવી હતી, જેમણે દર્શાવ્યું હતું કે ઈલેક્ટ્રોનના દળમાં સાપેક્ષતાવાદી ફેરફાર તેની ભ્રમણકક્ષાની અગ્રતાનું કારણ બને છે.

સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા અને ઇલેક્ટ્રોન માસમાં સાપેક્ષ સુધારણા માટેનું એકાઉન્ટિંગ, ફાઇન લેવલ વિભાજનની ઊર્જા માટે નીચેની અભિવ્યક્તિ આપે છે:

જ્યાં a= ઇ 2 /sc» 1/137. ઇલેક્ટ્રોનનો કુલ કોણીય વેગ + છે s. આપેલ મૂલ્ય માટે lક્વોન્ટમ નંબર jહકારાત્મક મૂલ્યો લે છે j= l ± s (j= 1/2 માટે l= 0). સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક નામકરણ મુજબ, ક્વોન્ટમ સંખ્યાઓ સાથેનું રાજ્ય n, l, s, jતરીકે સૂચવવામાં આવે છે n 2s+ એલ એલજે. આનો અર્થ એ થાય કે 2 પીસાથે હાઇડ્રોજન સ્તર n= 2 અને j= 3/2 ને 2 2 લખવામાં આવશે પી 3/2. મૂલ્ય 2 s+ 1 ને ગુણાકાર કહેવાય છે; તે આપેલ મૂલ્ય સાથે સંકળાયેલ રાજ્યોની સંખ્યા દર્શાવે છે s. નોંધ કરો કે આપેલ માટે સ્તર વિભાજન ઊર્જા nપર જ આધાર રાખે છે jપરંતુ થી નહીં lઅથવા sઅલગ. આમ, ઉપરોક્ત સૂત્ર 2 2 મુજબ s 1/2 અને 2 2 પીસૂક્ષ્મ બંધારણના 1/2 સ્તરો ઊર્જામાં ક્ષીણ થાય છે. સ્તર 3 2 પી 3/2 અને 3 2 ડી 3/2. જો આપણે શરતોની અવગણના કરીએ તો આ પરિણામો ડીરાક સિદ્ધાંતના તારણો સાથે સંમત થાય છે એક ઝેડઉચ્ચ ઓર્ડર. મંજૂર સંક્રમણો માટે પસંદગીના નિયમો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે j:D j= 0, ± 1 (સિવાય j= 0 ® 0).

આલ્કલી ધાતુઓનો સ્પેક્ટ્રા.

ક્ષારયુક્ત ધાતુના અણુઓ Li, Na, K, Rb, Cs અને Fr માં, બાહ્ય ભ્રમણકક્ષામાં એક સંયોજક ઇલેક્ટ્રોન છે, જે સ્પેક્ટ્રમની રચના માટે જવાબદાર છે. અન્ય તમામ ઇલેક્ટ્રોન આંતરિક બંધ શેલો પર સ્થિત છે. હાઇડ્રોજન અણુથી વિપરીત, આલ્કલી ધાતુના પરમાણુમાં જે ક્ષેત્ર બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોન ખસે છે તે બિંદુ ચાર્જ ક્ષેત્ર નથી: આંતરિક ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસને સુરક્ષિત કરે છે. સ્ક્રીનીંગની ડિગ્રી બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોનની ભ્રમણકક્ષાની ગતિ અને ન્યુક્લિયસથી તેના અંતર પર આધારિત છે. મોટા મૂલ્યો પર શિલ્ડિંગ સૌથી અસરકારક છે lઅને માટે ઓછામાં ઓછા અસરકારક s- રાજ્યો જ્યાં ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસની સૌથી નજીક છે. મોટ્ટા પાયા પર nઅને lઊર્જા સ્તરોની સિસ્ટમ હાઇડ્રોજન જેવી જ છે.

ક્ષારયુક્ત ધાતુના અણુઓના સ્તરની બારીક રચના પણ હાઇડ્રોજન જેવી જ છે. દરેક ઇલેક્ટ્રોનિક સ્થિતિ બે નજીકના ઘટકોમાં વિભાજિત થાય છે. બંને કિસ્સાઓમાં માન્ય સંક્રમણો સમાન પસંદગીના નિયમો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. તેથી, આલ્કલી ધાતુના અણુઓનો સ્પેક્ટ્રા અણુ હાઇડ્રોજનના સ્પેક્ટ્રમ જેવો જ છે. જો કે, આલ્કલી ધાતુઓ માટે, સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓનું વિભાજન નાનામાં થાય છે પીહાઇડ્રોજન કરતા વધારે છે, અને વધવાની સાથે ઝડપથી વધે છે ઝેડ.

મલ્ટી-ઇલેક્ટ્રોન અણુઓ.

એક કરતાં વધુ વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન ધરાવતા અણુઓ માટે, શ્રોડિન્જર સમીકરણ માત્ર અંદાજે ઉકેલી શકાય છે. કેન્દ્રીય ક્ષેત્ર અંદાજ ધારે છે કે દરેક ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસ અને અન્ય ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા બનાવેલ કેન્દ્રીય સપ્રમાણ ક્ષેત્રમાં આગળ વધે છે. આ કિસ્સામાં, ઇલેક્ટ્રોનની સ્થિતિ સંપૂર્ણપણે ક્વોન્ટમ સંખ્યાઓ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે પી, l,m lઅને m s (m sનિશ્ચિત ધરી પર સ્પિનનું પ્રક્ષેપણ છે). મલ્ટી-ઈલેક્ટ્રોન અણુમાં ઈલેક્ટ્રોન શેલો બનાવે છે, જેની શક્તિઓ ક્વોન્ટમ સંખ્યા વધે તેમ વધે છે પી.સાથે શેલો n= 1, 2, 3... અક્ષરો દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે કે, એલ, એમ...વગેરે પાઉલીના સિદ્ધાંત મુજબ, દરેક ક્વોન્ટમ અવસ્થામાં એક કરતા વધુ ઈલેક્ટ્રોન હોઈ શકતા નથી, એટલે કે. કોઈપણ બે ઈલેક્ટ્રોનમાં ક્વોન્ટમ સંખ્યાઓનો સમાન સમૂહ હોઈ શકે નહીં પી, l,m lઅને m s. આ એ હકીકત તરફ દોરી જાય છે કે મલ્ટિ-ઇલેક્ટ્રોન અણુમાં શેલ સખત રીતે વ્યાખ્યાયિત ક્રમમાં ભરવામાં આવે છે, અને દરેક શેલ ઇલેક્ટ્રોનની કડક રીતે વ્યાખ્યાયિત સંખ્યાને અનુરૂપ છે. ક્વોન્ટમ સંખ્યાઓ સાથે ઇલેક્ટ્રોન પીઅને lસંયોજન દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે ps, જો l= 0, સંયોજન વગેરે, જો l= 1, વગેરે. ઇલેક્ટ્રોન ક્રમિક રીતે શેલોને સૌથી ઓછી શક્ય ઊર્જાથી ભરે છે. સૌ પ્રથમ, બે sઇલેક્ટ્રોનથી ભરેલું કે- ન્યૂનતમ ઊર્જા સાથે શેલ; તેનું રૂપરેખાંકન 1 સૂચવવામાં આવે છે s 2. આગળ ભરવામાં આવશે એલ-શેલ: પ્રથમ બે 2 sઇલેક્ટ્રોન, પછી છ 2 આરઇલેક્ટ્રોન (બંધ શેલ રૂપરેખાંકન 2 s 2 2આર 6). જેમ જેમ તત્વની ઓર્ડિનલ સંખ્યા વધે છે તેમ, કોરથી વધુ અને વધુ દૂર રહેલા શેલો ભરાય છે. ભરેલા શેલમાં ગોળાકાર સપ્રમાણ ચાર્જ વિતરણ, શૂન્ય ભ્રમણકક્ષા વેગ અને મજબૂત રીતે બંધાયેલા ઇલેક્ટ્રોન હોય છે. બાહ્ય, અથવા સંયોજકતા, ઇલેક્ટ્રોન ખૂબ નબળા બંધાયેલા છે; તેઓ અણુના ભૌતિક, રાસાયણિક અને સ્પેક્ટ્રલ ગુણધર્મો નક્કી કરે છે. તત્વોની સામયિક પ્રણાલીનું માળખું એ ક્રમ દ્વારા સારી રીતે સમજાવવામાં આવ્યું છે કે જેમાં ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ્સમાં અણુઓના શેલો ભરવામાં આવે છે.

કેન્દ્રીય ક્ષેત્રના અંદાજમાં, એવું માનવામાં આવે છે કે આપેલ રૂપરેખાંકન સાથે સંબંધિત તમામ ક્વોન્ટમ અવસ્થાઓ સમાન ઊર્જા ધરાવે છે. વાસ્તવમાં, આ રાજ્યો બે મુખ્ય વિક્ષેપો દ્વારા વિભાજિત થાય છે: સ્પિન-ઓર્બિટ અને શેષ કુલોમ્બ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ. આ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ બાહ્ય શેલમાં વ્યક્તિગત ઇલેક્ટ્રોનની સ્પિન અને ભ્રમણકક્ષાની ક્ષણોને અલગ અલગ રીતે સંબંધિત કરે છે. કિસ્સામાં જ્યારે શેષ કુલોમ્બ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પ્રબળ હોય છે, અમારી પાસે છે એલ.એસબોન્ડનો પ્રકાર, અને જો સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પ્રવર્તે છે, તો પછી જે.જેકનેક્શન પ્રકાર.

ક્યારે એલ.એસ-બોન્ડ્સ, બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોનની ભ્રમણકક્ષાની ક્ષણો કુલ ભ્રમણકક્ષાની ક્ષણ બનાવે છે, અને સ્પિન ક્ષણો કુલ સ્પિન મોમેન્ટ બનાવે છે. ઉમેરણ અણુની કુલ ગતિ આપે છે. ક્યારે જે.જે- સંચાર ભ્રમણકક્ષા અને સંખ્યા સાથે ઇલેક્ટ્રોનની ક્ષણોને સ્પિન કરો i, ઉમેરીને, ઇલેક્ટ્રોનની કુલ ક્ષણ બનાવે છે , અને જ્યારે બધા વેક્ટર ઉમેરી રહ્યા હોય અણુની કુલ કોણીય ગતિ પ્રાપ્ત થાય છે. બંને પ્રકારના બોન્ડ માટે ક્વોન્ટમ સ્ટેટ્સની કુલ સંખ્યા કુદરતી રીતે સમાન છે.

મલ્ટિઈલેક્ટ્રોન અણુઓમાં, માન્ય સંક્રમણો માટે પસંદગીના નિયમો બોન્ડના પ્રકાર પર આધાર રાખે છે. વધુમાં, એક સમાનતા પસંદગીનો નિયમ છે: માન્ય ઇલેક્ટ્રિક દ્વિધ્રુવ સંક્રમણોમાં, ક્વોન્ટમ સ્થિતિની સમાનતા બદલવી આવશ્યક છે. (પેરિટી એ ક્વોન્ટમ નંબર છે જે સૂચવે છે કે મૂળમાંથી પ્રતિબિંબિત થાય ત્યારે વેવફંક્શન સમ (+1) અથવા વિષમ (–1) છે.) પેરિટી પસંદગી નિયમ એ અણુ અથવા પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રિક દ્વિધ્રુવ સંક્રમણ માટે મૂળભૂત આવશ્યકતા છે.

સુપરફાઇન માળખું.

દળ, વોલ્યુમ, ચુંબકીય અને ચતુર્ભુજ ક્ષણો જેવી અણુ ન્યુક્લીની લાક્ષણિકતાઓ ઈલેક્ટ્રોનિક ઉર્જા સ્તરોની રચનાને અસર કરે છે, જેના કારણે તે ખૂબ જ નજીકથી અંતરે આવેલા સબલેવલમાં વિભાજિત થાય છે, જેને હાઈપરફાઈન સ્ટ્રક્ચર કહેવાય છે.

ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ કે જે ઇલેક્ટ્રોનિક સ્તરોના હાયપરફાઇન વિભાજનનું કારણ બને છે, જે ઇલેક્ટ્રોન-પરમાણુ ઓરિએન્ટેશન પર આધારિત છે, તે ચુંબકીય અથવા ઇલેક્ટ્રિક હોઈ શકે છે. અણુઓમાં, ચુંબકીય ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ પ્રબળ છે. આ કિસ્સામાં, હાઇપરફાઇન માળખું ચુંબકીય ક્ષેત્ર સાથે પરમાણુ ચુંબકીય ક્ષણની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાના પરિણામે ઉદભવે છે, જે ઇલેક્ટ્રોનની સ્પિન અને ભ્રમણકક્ષાની ગતિ દ્વારા ન્યુક્લિયસના ક્ષેત્રમાં બનાવવામાં આવે છે. ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઊર્જા સિસ્ટમના કુલ કોણીય વેગ પર આધાર રાખે છે , પરમાણુ સ્પિન ક્યાં છે, અને આઈઅનુરૂપ ક્વોન્ટમ નંબર છે. ઉર્જા સ્તરોનું હાઇપરફાઇન ચુંબકીય વિભાજન દ્વારા આપવામાં આવે છે

જ્યાં પરંતુન્યુક્લિયસના ચુંબકીય ક્ષણના સતત પ્રમાણસર હાઇપરફાઇન માળખું છે. સામાન્ય રીતે સ્પેક્ટ્રમમાં સેંકડો મેગાહર્ટ્ઝથી ગીગાહર્ટ્ઝ સુધીની ફ્રીક્વન્સીઝ જોવા મળે છે. તેઓ માટે મહત્તમ છે s- ઇલેક્ટ્રોન જેની ભ્રમણકક્ષા ન્યુક્લિયસની સૌથી નજીક છે.

ન્યુક્લિયસમાં ચાર્જનું વિતરણ, જેની અસમપ્રમાણતાની ડિગ્રી ન્યુક્લિયસના ચતુર્ભુજ ક્ષણ દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, તે ઊર્જા સ્તરોના વિભાજનને પણ અસર કરે છે. ન્યુક્લિયસના પ્રદેશમાં ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર સાથે ચતુર્ભુજ ક્ષણની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ખૂબ જ ઓછી છે, અને તેના કારણે વિભાજનની આવર્તન અનેક દસ મેગાહર્ટ્ઝ છે.

સ્પેક્ટ્રાની હાયપરફાઇન માળખું કહેવાતા આઇસોટોપિક શિફ્ટને કારણે હોઈ શકે છે. જો કોઈ તત્વમાં ઘણા આઇસોટોપ્સ હોય, તો તેના વર્ણપટમાં નબળી રીતે અલગ અથવા ઓવરલેપિંગ રેખાઓ જોવા મળે છે. આ કિસ્સામાં, સ્પેક્ટ્રમ એ સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓના સમૂહોનો સંગ્રહ છે જે વિવિધ આઇસોટોપથી સંબંધિત એકબીજાની તુલનામાં સહેજ સ્થાનાંતરિત થાય છે. દરેક આઇસોટોપની રેખાઓની તીવ્રતા તેની સાંદ્રતાના પ્રમાણસર છે.

અણુઓનું માળખું અને સ્પેક્ટ્રા

મોલેક્યુલર સ્પેક્ટ્રા અણુ કરતાં વધુ જટિલ અને વૈવિધ્યસભર છે. આ એ હકીકતને કારણે છે કે પરમાણુઓમાં સ્વતંત્રતાની વધારાની ડિગ્રી હોય છે, અને પરમાણુની રચના કરતા અણુઓના મધ્યવર્તી કેન્દ્રની આસપાસ ઇલેક્ટ્રોનની હિલચાલ સાથે, મધ્યવર્તી કેન્દ્ર પોતે સંતુલન સ્થિતિને અનુરૂપ ઓસીલેટ થાય છે, તેમજ પરમાણુનું પરિભ્રમણ સમગ્ર. પરમાણુમાં મધ્યવર્તી કેન્દ્ર એક રેખીય, સમતલ અથવા ત્રિ-પરિમાણીય રૂપરેખાંકન બનાવે છે. પ્લાનર અને ત્રિ-પરિમાણીય અણુઓ, જેમાં N અણુઓનો સમાવેશ થાય છે, તેમાં સ્વતંત્રતાની 3N–6 કંપનશીલ અને ત્રણ રોટેશનલ ડિગ્રી હોય છે, જ્યારે રેખીય અણુઓમાં 3N–5 કંપનશીલ અને સ્વતંત્રતાની બે રોટેશનલ ડિગ્રી હોય છે. આમ, ઈલેક્ટ્રોનિક ઉર્જા ઉપરાંત, પરમાણુમાં કંપનશીલ અને રોટેશનલ આંતરિક ઉર્જા, તેમજ સ્તરોની નવી પ્રણાલીઓ હોય છે.

રોટેશનલ સ્પેક્ટ્રા.

ડાયટોમિક પરમાણુને જડતાની ક્ષણ સાથે કઠોર ચક્રાકાર તરીકે સરળ રીતે ગણી શકાય આઈ. કઠોર પરિભ્રમણ કરનાર માટે શ્રોડિન્જર સમીકરણનું નિરાકરણ નીચેના માન્ય ઉર્જા સ્તરો આપે છે:

જ્યાં જે-એક ક્વોન્ટમ સંખ્યા જે પરમાણુના વેગના રોટેશનલ વેગને દર્શાવે છે. મંજૂર સંક્રમણો માટે પસંદગીનો નિયમ છે: ડી જે= ± 1. પરિણામે, સંપૂર્ણ રોટેશનલ સ્પેક્ટ્રમ ફ્રીક્વન્સીઝ સાથે સમાન અંતરની રેખાઓની શ્રેણી ધરાવે છે

પોલિએટોમિક પરમાણુઓના રોટેશનલ સ્પેક્ટ્રામાં સમાન માળખું હોય છે.

વાઇબ્રેશનલ-રોટેશનલ સ્પેક્ટ્રા.

વાસ્તવમાં, મોલેક્યુલર બોન્ડ્સ કઠોર નથી. સૌથી સરળ અંદાજમાં, ડાયટોમિક પરમાણુના મધ્યવર્તી કેન્દ્રની ગતિને ઘટતા સમૂહ સાથેના કણોના સ્પંદનો તરીકે ગણી શકાય. mહાર્મોનિક સંભવિત સાથે સંભવિત કૂવામાં સંતુલન સ્થિતિને સંબંધિત. જો હાર્મોનિક સંભવિત સ્વરૂપ ધરાવે છે વી(x)= kx 2/2, જ્યાં xસંતુલનથી આંતર પરમાણુ અંતરનું વિચલન છે, અને k-સ્થિતિસ્થાપકતાના ગુણાંક, પછી શ્રોડિન્જર સમીકરણ ઉકેલવાથી નીચેના સંભવિત ઉર્જા સ્તરો મળે છે: E v = hn(v+ 1/2). અહીં nસૂત્ર દ્વારા વ્યાખ્યાયિત ઓસિલેશન આવર્તન છે, અને વિવાઇબ્રેશનલ ક્વોન્ટમ નંબર છે, જે મૂલ્યો લે છે વિ= 1, 2, 3.... મંજૂર (ઇન્ફ્રારેડ) સંક્રમણો માટે પસંદગીનો નિયમ: D વિ= ± 1. આમ, કંપન સંક્રમણો માટે એક જ આવર્તન છે n. પરંતુ પરમાણુમાં સ્પંદનો અને પરિભ્રમણ એક સાથે થતા હોવાથી, એક કંપન-રોટેશનલ સ્પેક્ટ્રમ ઉદભવે છે જેમાં રોટેશનલ રેખાઓનો "કાંસકો" પરમાણુની કંપનશીલ આવર્તન પર સુપરિમ્પોઝ કરવામાં આવે છે.

ઇલેક્ટ્રોનિક સ્પેક્ટ્રા.

અણુઓમાં મોટી સંખ્યામાં ઉત્તેજિત ઇલેક્ટ્રોનિક સ્તરો હોય છે, જે વચ્ચેના સંક્રમણો કંપન અને રોટેશનલ ઊર્જામાં ફેરફાર સાથે હોય છે. પરિણામે, પરમાણુઓના ઇલેક્ટ્રોનિક સ્પેક્ટ્રાની રચના વધુ જટિલ બની જાય છે, કારણ કે: 1) ઇલેક્ટ્રોનિક સંક્રમણો ઘણીવાર ઓવરલેપ થાય છે; 2) વાઇબ્રેશનલ ટ્રાન્ઝિશન માટે પસંદગીનો નિયમ જોવામાં આવતો નથી (ડી પર કોઈ પ્રતિબંધ નથી વિ); 3) પસંદગીનો નિયમ D સાચવેલ છે જેમંજૂર રોટેશનલ સંક્રમણો માટે = 0, ± 1. ઇલેક્ટ્રોનિક સ્પેક્ટ્રમ એ વાઇબ્રેશનલ બેન્ડની શ્રેણી છે, દરેકમાં દસ અથવા સેંકડો રોટેશનલ લાઇન હોય છે. એક નિયમ તરીકે, નજીકના ઇન્ફ્રારેડ, દૃશ્યમાન અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રદેશોમાં મોલેક્યુલર સ્પેક્ટ્રામાં ઘણા ઇલેક્ટ્રોનિક સંક્રમણો જોવા મળે છે. ઉદાહરણ તરીકે, આયોડિન પરમાણુના સ્પેક્ટ્રમમાં ( જે 2) લગભગ 30 ઇલેક્ટ્રોનિક સંક્રમણો છે.

લેસરોના આગમન સાથે, પરમાણુઓના ઇલેક્ટ્રોનિક સ્પેક્ટ્રાનો અભ્યાસ, ખાસ કરીને પોલિએટોમિક, એક નવા સ્તરે પહોંચ્યો છે. પરમાણુ સ્થિરાંકો અને સંભવિત સપાટીઓને ચોક્કસ રીતે નિર્ધારિત કરવા માટે ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાં વ્યાપકપણે ટ્યુનેબલ ઉચ્ચ-તીવ્રતા લેસર રેડિયેશનનો ઉપયોગ થાય છે. દૃશ્યમાન, ઇન્ફ્રારેડ અને માઇક્રોવેવ લેસરોનો ઉપયોગ નવા સંક્રમણોની તપાસ કરવા માટે ડબલ રેઝોનન્સ પ્રયોગોમાં થાય છે.

ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રા અને રમન સ્પેક્ટ્રા.

મોલેક્યુલર શોષણ સ્પેક્ટ્રા વિદ્યુત દ્વિધ્રુવ સંક્રમણોને કારણે છે. ઇલેક્ટ્રિક દ્વિધ્રુવ એ બે બિંદુઓના ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જનો સંગ્રહ છે જે તીવ્રતામાં સમાન હોય છે, ચિહ્નમાં વિરુદ્ધ હોય છે અને એકબીજાથી અમુક અંતરે સ્થિત હોય છે. સકારાત્મક ચાર્જનું ઉત્પાદન અને ચાર્જ વચ્ચેના અંતરને ઇલેક્ટ્રિક દ્વિધ્રુવ ક્ષણ કહેવામાં આવે છે. દ્વિધ્રુવની ક્ષણ જેટલી મોટી, સિસ્ટમ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઉર્જાને શોષી અને ફેલાવી શકે તેટલી મજબૂત. ધ્રુવીય પરમાણુઓમાં, જેમ કે HBr, જેમાં મોટી દ્વિધ્રુવી ક્ષણ હોય છે અને તે સંબંધિત ફ્રીક્વન્સીઝ પર મજબૂત રીતે શોષી લે છે, કંપનશીલ-રોટેશનલ સ્પેક્ટ્રા જોવા મળે છે. બીજી બાજુ, બિન-ધ્રુવીય પરમાણુઓ, જેમ કે H 2 , O 2 અને N 2 , પાસે કાયમી દ્વિધ્રુવીય ક્ષણ હોતી નથી, અને તેથી ફરતી વખતે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઉર્જાને ઉત્સર્જન અથવા શોષી શકતા નથી, તેથી તેમની પાસે રોટેશનલ સ્પેક્ટ્રા નથી. વધુમાં, આવા અણુઓના સ્પંદનો એટલા સપ્રમાણ હોય છે કે તેઓ દ્વિધ્રુવીય ક્ષણના દેખાવ તરફ દોરી જતા નથી. આ તેમના ઇન્ફ્રારેડ વાઇબ્રેશનલ સ્પેક્ટ્રમની ગેરહાજરીને કારણે છે.

પરમાણુઓની રચનાનો અભ્યાસ કરવા માટેની એક મહત્વપૂર્ણ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક પદ્ધતિ એ પ્રકાશના સ્કેટરિંગનો અભ્યાસ છે. પ્રકાશનું વિખેરવું એ એક એવી પ્રક્રિયા છે જેમાં, અણુ અથવા પરમાણુમાં ઘટના પ્રકાશના પ્રભાવ હેઠળ, દ્વિધ્રુવ ક્ષણના ઓસિલેશન ઉત્તેજિત થાય છે, પ્રાપ્ત ઊર્જાના ઉત્સર્જન સાથે. રીમિશન મુખ્યત્વે ઘટના પ્રકાશની આવર્તન (સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગ) પર થાય છે, પરંતુ શિફ્ટ (સંયોજન) ફ્રીક્વન્સીઝ પર નબળા અસ્થિર સ્કેટરિંગ જોઇ શકાય છે. સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગને રેલે કહેવામાં આવે છે, જ્યારે સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગને રામન અથવા રામન કહેવામાં આવે છે. રમન સ્કેટરિંગને અનુરૂપ રેખાઓ સ્કેટરિંગ નમૂનાના મોલેક્યુલર સ્પંદનોની આવર્તન દ્વારા ઘટના પ્રકાશની રેખાને સંબંધિત સ્થાનાંતરિત થાય છે. કારણ કે પરમાણુ પણ ફેરવી શકે છે, રોટેશનલ ફ્રીક્વન્સી ડિસ્પ્લેસમેન્ટ ફ્રીક્વન્સી પર સુપરઇમ્પોઝ કરવામાં આવે છે.

હોમિયોપોલર બોન્ડ સાથેના અણુઓ કે જેમાં ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રમ નથી તેનો રામન સ્કેટરિંગ દ્વારા અભ્યાસ કરવો જોઈએ. બહુવિધ કંપનશીલ આવર્તન સાથે પોલિએટોમિક પરમાણુઓના કિસ્સામાં, સ્પેક્ટ્રલ માહિતીનો ભાગ ઇન્ફ્રારેડ શોષણ સ્પેક્ટ્રામાંથી અને ભાગ રામન સ્પેક્ટ્રા (કંપનની સમપ્રમાણતા પર આધાર રાખીને)માંથી મેળવી શકાય છે. મેળવેલ માહિતી એકબીજાને પૂરક બનાવે છે, કારણ કે, વિવિધ પસંદગીના નિયમોને લીધે, તેઓ વિવિધ પરમાણુ સ્પંદનો વિશેની માહિતી ધરાવે છે.

પોલિઆટોમિક પરમાણુઓની ઇન્ફ્રારેડ અને રમન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી એ અણુઓના સ્પેક્ટ્રોકેમિકલ વિશ્લેષણ જેવી જ શક્તિશાળી વિશ્લેષણાત્મક તકનીક છે. દરેક મોલેક્યુલર બોન્ડ સ્પેક્ટ્રમમાં લાક્ષણિક વાઇબ્રેશનલ પેટર્નને અનુરૂપ હોય છે, જેનો ઉપયોગ પરમાણુને ઓળખવા અથવા તેની રચના નક્કી કરવા માટે થઈ શકે છે.

ઝીમેન અને સ્ટાર્કની અસરો.

બાહ્ય વિદ્યુત અને ચુંબકીય ક્ષેત્રોનો સફળતાપૂર્વક ઊર્જા સ્તરોની પ્રકૃતિ અને ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કરવા માટે ઉપયોગ થાય છે.

સ્પેક્ટ્રલ લાઇન બ્રોડિંગ

ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના નિયમો અનુસાર, વર્ણપટ રેખાઓ હંમેશા આપેલ અણુ અથવા મોલેક્યુલર સંક્રમણની મર્યાદિત પહોળાઈની લાક્ષણિકતા ધરાવે છે. ક્વોન્ટમ અવસ્થાની મહત્વની લાક્ષણિકતા એ તેનું વિકિરણ જીવનકાળ છે t, એટલે કે જે સમય દરમિયાન સિસ્ટમ નીચલા સ્તર પર સંક્રમણ કર્યા વિના આ સ્થિતિમાં રહે છે. ક્લાસિકલ મિકેનિક્સના દૃષ્ટિકોણથી, રેડિયેશન એ અવધિ સાથે તરંગોની ટ્રેન છે t, જ્યાંથી તે અનુસરે છે કે ઉત્સર્જન રેખાની પહોળાઈ D n 1/2 બરાબર છે pt. આયુષ્ય જેટલું ટૂંકું t, વિશાળ રેખા.

કિરણોત્સર્ગી જીવનકાળ સંક્રમણ દ્વિધ્રુવીય ક્ષણ અને કિરણોત્સર્ગ આવર્તન પર આધાર રાખે છે. સૌથી મોટી સંક્રમણ ક્ષણો ઇલેક્ટ્રિક દ્વિધ્રુવ સંક્રમણોને અનુરૂપ છે. સ્પેક્ટ્રમના દૃશ્યમાન પ્રદેશમાં મજબૂત ઇલેક્ટ્રોનિક સંક્રમણો માટે અણુઓ અને પરમાણુઓમાં t» 10 ns, જે 10 થી 20 MHz ની લાઇન પહોળાઈને અનુરૂપ છે. ઇન્ફ્રારેડ શ્રેણીમાં ઉત્સર્જિત ઉત્તેજિત કંપનશીલ અવસ્થાઓ માટે, સંક્રમણનો સમય નબળો હોય છે અને તરંગલંબાઇ લાંબી હોય છે, તેથી તેમના કિરણોત્સર્ગી જીવનકાળ મિલિસેકન્ડ્સમાં માપવામાં આવે છે.

રેડિયેટિવ જીવનકાળ વર્ણપટ રેખાની ન્યૂનતમ પહોળાઈ નક્કી કરે છે. જો કે, મોટા ભાગના કિસ્સાઓમાં વર્ણપટ રેખાઓ ઘણી વિશાળ હોઈ શકે છે. આના કારણોમાં અસ્તવ્યસ્ત થર્મલ ગતિ (ગેસમાં), રેડિએટિંગ કણો વચ્ચેની અથડામણ અને સ્ફટિક જાળીમાં તેમની અવ્યવસ્થિત ગોઠવણીને કારણે આયનોની આવર્તનમાં મજબૂત વિક્ષેપ છે. લાઇનવિડ્થને ઘટાડવા માટે ઘણી બધી પદ્ધતિઓ છે, જે તમને સૌથી વધુ શક્ય ચોકસાઈ સાથે કેન્દ્રની ફ્રીક્વન્સીને માપવા માટે પરવાનગી આપે છે.

સ્પેક્ટ્રલ ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ્સ

સ્પેક્ટ્રોસ્કોપ એ સ્પેક્ટ્રલ ઘટકોમાં પ્રકાશનું વિઘટન કરવા અને સ્પેક્ટ્રમને દૃષ્ટિની રીતે અવલોકન કરવા માટે રચાયેલ સૌથી સરળ ઓપ્ટિકલ સાધન છે. તરંગલંબાઇને માપવા માટેના ઉપકરણોથી સજ્જ આધુનિક સ્પેક્ટ્રોસ્કોપને સ્પેક્ટ્રોમીટર કહેવામાં આવે છે. ક્વોન્ટોમીટર, પોલીક્રોમેટર્સ, ક્વોન્ટ્સ વગેરે પણ સ્પેક્ટ્રોગ્રાફના પરિવાર સાથે જોડાયેલા છે. સ્પેક્ટ્રોગ્રાફ્સમાં, સ્પેક્ટ્રમ તરંગલંબાઇની વિશાળ શ્રેણીમાં એક સાથે રેકોર્ડ કરવામાં આવે છે; સ્પેક્ટ્રા રેકોર્ડ કરવા માટે ફોટોગ્રાફિક પ્લેટ્સ અને મલ્ટિચેનલ ડિટેક્ટર (ફોટોડિયોડ એરે, ફોટોોડિયોડ એરે) નો ઉપયોગ થાય છે. સ્પેક્ટ્રોફોટોમીટર્સમાં, ફોટોમેટ્રી હાથ ધરવામાં આવે છે, એટલે કે. સંદર્ભ એક સાથે માપેલા રેડિયેશન ફ્લક્સની સરખામણી અને સ્પેક્ટ્રા ઇલેક્ટ્રોનિક રીતે રેકોર્ડ કરવામાં આવે છે. ઉત્સર્જન સ્પેક્ટ્રોમીટરમાં સામાન્ય રીતે કિરણોત્સર્ગ સ્ત્રોત (ઉત્સર્જિત નમૂના), સ્લિટ ડાયાફ્રેમ, કોલિમેટીંગ લેન્સ અથવા કોલિમેટીંગ મિરર, વિખેરતું તત્વ, ફોકસીંગ સિસ્ટમ (લેન્સ અથવા મિરર) અને ડિટેક્ટરનો સમાવેશ થાય છે. સ્લિટ સ્ત્રોતમાંથી પ્રકાશના સાંકડા કિરણને કાપી નાખે છે, કોલિમેટીંગ લેન્સ તેને વિસ્તૃત કરે છે અને તેને સમાંતરમાં રૂપાંતરિત કરે છે. વિખેરી નાખતું તત્વ પ્રકાશને સ્પેક્ટ્રલ ઘટકોમાં વિઘટન કરે છે. ફોકસિંગ લેન્સ ફોકલ પ્લેનમાં જ્યાં ડિટેક્ટર મૂકવામાં આવે છે ત્યાં સ્લિટની છબી બનાવે છે. શોષણનો અભ્યાસ કરતી વખતે, સતત સ્પેક્ટ્રમ સાથેના સ્ત્રોતનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, અને શોષક નમૂના સાથેનો કોષ પ્રકાશ પ્રવાહના માર્ગ સાથે ચોક્કસ બિંદુઓ પર મૂકવામાં આવે છે.

સ્ત્રોતો.

સતત IR કિરણોત્સર્ગના સ્ત્રોતો સિલિકોન કાર્બાઇડ સળિયા (ગ્લોબાર્સ) છે જે ઊંચા તાપમાને ગરમ થાય છે, જેમાં તીવ્ર રેડિયેશન હોય છે. l> 3 µm. દૃશ્યમાન, નજીક-આઈઆર અને નજીક-યુવી પ્રદેશોમાં સતત સ્પેક્ટ્રમ મેળવવા માટે, અગ્નિથી પ્રકાશિત ઘન શ્રેષ્ઠ પરંપરાગત સ્ત્રોતો માનવામાં આવે છે. શૂન્યાવકાશ યુવી પ્રદેશમાં, હાઇડ્રોજન અને હિલીયમ ડિસ્ચાર્જ લેમ્પનો ઉપયોગ થાય છે. ઇલેક્ટ્રિક આર્ક્સ, સ્પાર્ક અને ડિસ્ચાર્જ ટ્યુબ એ તટસ્થ અને આયનાઇઝ્ડ અણુઓના રેખા સ્પેક્ટ્રાના પરંપરાગત સ્ત્રોત છે.

ઉત્કૃષ્ટ સ્ત્રોતો એ લેસર છે જે સમગ્ર ઓપ્ટિકલ શ્રેણીમાં તીવ્ર મોનોક્રોમેટિક કોલિમેટેડ સુસંગત કિરણોત્સર્ગ પેદા કરે છે. તેમાંથી, વિશાળ આવર્તન ટ્યુનિંગ શ્રેણીવાળા સ્ત્રોતો વિશેષ ધ્યાન આપવાના પાત્ર છે. તેથી, ઉદાહરણ તરીકે, ડાયોડ IR લેસરોને 3 થી 30 μm ની રેન્જમાં ટ્યુન કરી શકાય છે, ડાઇ લેસરોને દૃશ્યમાન અને નજીકના IR પ્રદેશોમાં ટ્યુન કરી શકાય છે. ફ્રીક્વન્સી કન્વર્ઝન બાદની ટ્યુનિંગ રેન્જને મધ્ય-આઈઆરથી દૂર યુવી પ્રદેશ સુધી વિસ્તરે છે. સાંકડી રેન્જમાં ટ્યુન કરી શકાય તેવા લેસર સ્ત્રોતોની મોટી સંખ્યા છે, અને નિશ્ચિત આવર્તન સાથે લેસરોનો મોટો પરિવાર છે જે દૂરના IR થી UV પ્રદેશ સુધીના સમગ્ર સ્પેક્ટ્રમને આવરી શકે છે. શૂન્યાવકાશ યુવી રેડિયેશનના આવર્તન-રૂપાંતર લેસર સ્ત્રોતો માત્ર થોડા નેનોમીટરની તરંગલંબાઇ સાથે કિરણોત્સર્ગ પેદા કરે છે. એક્સ-રે શ્રેણીમાં કાર્યરત ફિક્સ્ડ-ફ્રિકવન્સી લેસરો પણ વિકસાવવામાં આવ્યા છે.

સ્પેક્ટ્રલ વિઘટન પદ્ધતિઓ.

પ્રકાશનું સ્પેક્ટ્રલ વિઘટન ત્રણ પદ્ધતિઓ દ્વારા હાથ ધરવામાં આવે છે: પ્રિઝમ્સમાં વક્રીભવનને કારણે વિક્ષેપ, સામયિક ગ્રેટિંગ્સ પર વિવર્તન અને હસ્તક્ષેપનો ઉપયોગ કરીને. ઇન્ફ્રારેડ પ્રદેશ માટે પ્રિઝમ્સ વિવિધ અકાર્બનિક સ્ફટિકોમાંથી બનાવવામાં આવે છે, દૃશ્યમાન અને યુવી કિરણોત્સર્ગ માટે - અનુક્રમે કાચ અને ક્વાર્ટઝમાંથી. મોટા ભાગના આધુનિક સાધનોમાં, પ્રિઝમ્સને બદલે, મોટી સંખ્યામાં નજીકના અંતરવાળા ગ્રુવ્સ સાથે વિવર્તન ગ્રુવ્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. વિવર્તન ગ્રેટિંગ્સ સાથેના સ્પેક્ટ્રોમીટર સમગ્ર ઓપ્ટિકલ શ્રેણીમાં માપન કરવાની મંજૂરી આપે છે. તેમાંના સ્પેક્ટ્રલ ઘટકોમાં પ્રકાશનું વિઘટન પ્રિઝમ સ્પેક્ટ્રોમીટર કરતાં વધુ સમાન છે. લેન્સની જરૂરિયાતને દૂર કરીને, ગ્રેટિંગ સ્ટ્રોક ઘણીવાર સીધા જ ફોકસિંગ મિરર્સ પર લાગુ કરવામાં આવે છે. હાલમાં, હોલોગ્રાફિક ડિફ્રેક્શન ગ્રેટિંગ્સનો ઉપયોગ વધુ અને વધુ વ્યાપક રીતે કરવામાં આવે છે, જે પરંપરાગત ગ્રેટિંગ્સ કરતાં ઉચ્ચ રિઝોલ્યુશન પ્રદાન કરે છે. દખલગીરી સ્પેક્ટ્રોમીટરમાં, પ્રકાશના કિરણને બે બીમમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે જે વિવિધ માર્ગોને અનુસરે છે અને પછી દખલગીરી પેટર્ન બનાવવા માટે પુનઃસંયોજિત થાય છે. ઇન્ટરફેરોમીટર્સ સર્વોચ્ચ રિઝોલ્યુશન પ્રદાન કરે છે અને તેનો ઉપયોગ સ્પેક્ટ્રાની ઝીણી અને અતિસૂક્ષ્મ રચનાનો અભ્યાસ કરવા તેમજ સંબંધિત તરંગલંબાઇને માપવા માટે થાય છે. ફેબ્રી-પેરોટ ઇન્ટરફેરોમીટરનો ઉપયોગ સ્પેક્ટ્રોમીટરમાં તરંગલંબાઇ માપવા માટેના ધોરણ તરીકે થાય છે.

તાજેતરમાં, IR પ્રદેશમાં પરંપરાગત પ્રિઝમ અને વિવર્તન સાધનોને બદલે ફોરિયર સ્પેક્ટ્રોમીટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. ફોરિયર સ્પેક્ટ્રોમીટર એ બે-બીમ ઇન્ટરફેરોમીટર છે જે એક હાથની ચલ લંબાઈ ધરાવે છે. બે બીમની દખલગીરીના પરિણામે, એક મોડ્યુલેટેડ સિગ્નલ ઉદભવે છે, જેનું ફોરિયર ટ્રાન્સફોર્મ સ્પેક્ટ્રમ આપે છે. ફ્યુરિયર સ્પેક્ટ્રોમીટર પરંપરાગત સ્પેક્ટ્રોમીટરથી તેમની વધુ તેજસ્વીતા અને ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશનમાં અલગ પડે છે. વધુમાં, તેઓ ડેટા એકત્રિત કરવા અને પ્રક્રિયા કરવા માટે આધુનિક કમ્પ્યુટર પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરવાની મંજૂરી આપે છે.

ડિટેક્ટર.

રેકોર્ડિંગ સ્પેક્ટ્રા માટેની પદ્ધતિઓ ખૂબ જ વૈવિધ્યસભર છે. માનવ આંખ ખૂબ જ ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા ધરાવે છે. જો કે, ગ્રીન લાઇટ માટે વધુ હોવાથી ( l\u003d 550 nm), માનવ આંખની સંવેદનશીલતા ઇન્ફ્રારેડ અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રદેશોની સરહદો પર ઝડપથી શૂન્ય થઈ જાય છે. (અમે નોંધીએ છીએ, માર્ગ દ્વારા, રમન સ્કેટરિંગ, સામાન્ય રીતે ખૂબ જ નબળું, નરી આંખે શોધી કાઢવામાં આવ્યું હતું.) 1950 ના દાયકા સુધી, વિવિધ ફોટોગ્રાફિક પ્લેટોનો સ્પેક્ટ્રા રેકોર્ડ કરવા માટે વ્યાપકપણે ઉપયોગ થતો હતો. તેમની સંવેદનશીલતાએ નજીકના-IR (1.3 μm) થી શૂન્યાવકાશ યુવી પ્રદેશ (100 nm અથવા ઓછા) સુધીની સમગ્ર તરંગલંબાઇ શ્રેણીમાં માપન કરવાની મંજૂરી આપી હતી. પાછળથી, ફોટોગ્રાફિક પ્લેટોને ઇલેક્ટ્રોનિક ડિટેક્ટર અને ફોટોોડિયોડ એરે દ્વારા બદલવામાં આવી.

IR પ્રદેશમાં, બોલોમીટર, રેડિયોમીટર અને થર્મોકોપલ્સ પરંપરાગત રેડિયોમેટ્રિક ડિટેક્ટર હતા અને રહ્યા છે. પછી વિવિધ પ્રકારના ઝડપી અને સંવેદનશીલ ફોટોસેલ્સ અને ફોટોરેઝિસ્ટર આવ્યા. ફોટોમલ્ટિપ્લાયર્સ સ્પેક્ટ્રમના દૃશ્યમાન અને યુવી પ્રદેશોમાં અત્યંત સંવેદનશીલ હોય છે. તેમની પાસે ઓછી જડતા, ઓછો શ્યામ પ્રવાહ અને ઓછો અવાજ સ્તર છે. ઝડપી-પ્રતિભાવ સંવેદનશીલ મલ્ટિચેનલ ડિટેક્ટરનો પણ ઉપયોગ થાય છે. આમાં માઇક્રોચેનલ પ્લેટ્સ અને ચાર્જ-કપલ્ડ ઉપકરણો સાથે ફોટોોડિયોડ એરેનો સમાવેશ થાય છે. ફોટોગ્રાફિક પ્લેટની જેમ, મલ્ટિચેનલ ડિટેક્ટર સમગ્ર સ્પેક્ટ્રમને એકસાથે રેકોર્ડ કરે છે; તેમાંથી ડેટા સરળતાથી કમ્પ્યુટરમાં દાખલ કરી શકાય છે.

માહિતી સંગ્રહ અને માહિતી પ્રક્રિયા.

હાલમાં, સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાં કોમ્પ્યુટર ડેટા કલેક્શન અને પ્રોસેસિંગનો ઉપયોગ થાય છે. સ્પેક્ટ્રમની તરંગલંબાઇ સ્કેનિંગ સામાન્ય રીતે સ્ટેપર મોટર દ્વારા હાથ ધરવામાં આવે છે, જે કમ્પ્યુટરમાંથી દરેક પલ્સ સાથે, વિવર્તન ગ્રેટિંગને ચોક્કસ ખૂણા દ્વારા ફેરવે છે. દરેક પોઝિશન પર, ડિટેક્ટરમાંથી પ્રાપ્ત સિગ્નલ ડિજિટલ કોડમાં રૂપાંતરિત થાય છે અને કમ્પ્યુટરની મેમરીમાં દાખલ થાય છે. જો જરૂરી હોય તો, પ્રાપ્ત માહિતી સ્ક્રીન પર પ્રદર્શિત કરી શકાય છે. ડેટાની ઝડપી સરખામણી માટે, સંદર્ભ સ્પેક્ટ્રોકેમિકલ માહિતી, તેમજ સંદર્ભ ઇન્ફ્રારેડ અને રામન સ્પેક્ટ્રા, સામાન્ય રીતે ડિસ્કેટ પર સંગ્રહિત થાય છે.

સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક પદ્ધતિઓ

ફ્લોરોસેન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી.

ફ્લોરોસેન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી એ નમૂનાની રાસાયણિક રચનાનું વિશ્લેષણ કરવા માટે ખૂબ જ સંવેદનશીલ પદ્ધતિ છે, જે પદાર્થોની માત્રા અને તેમના વ્યક્તિગત પરમાણુઓને શોધી કાઢવાનું શક્ય બનાવે છે. લેસર ખાસ કરીને ઉત્તેજક કિરણોત્સર્ગના સ્ત્રોત તરીકે અસરકારક છે.

શોષણ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી.

શોષણ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી સ્પેક્ટ્રમના તે પ્રદેશોમાં અભ્યાસ માટે અનિવાર્ય છે જ્યાં ફ્લોરોસેન્સ નબળું છે અથવા સંપૂર્ણ રીતે ગેરહાજર છે. શોષણ સ્પેક્ટ્રમ નમૂના દ્વારા પ્રસારિત થતા પ્રકાશના સીધા માપન દ્વારા અથવા ઘણી પરોક્ષ પદ્ધતિઓમાંથી એક દ્વારા રેકોર્ડ કરવામાં આવે છે. નબળા અને પ્રતિબંધિત સંક્રમણોનું અવલોકન કરવા માટે, લાંબા અથવા મલ્ટિપાસ કોષોનો ઉપયોગ થાય છે. રેડિયેશન સ્ત્રોત તરીકે ટ્યુનેબલ લેસરોનો ઉપયોગ સ્લિટ ડાયાફ્રેમ્સ અને ડિફ્રેક્શન ગ્રેટિંગ્સ સાથે વિતરિત કરવાનું શક્ય બનાવે છે.

નોંધણી પદ્ધતિઓ.

ત્યાં સંખ્યાબંધ સંવેદનશીલ પદ્ધતિઓ છે જે તમને પ્રકાશની ક્રિયા હેઠળ અભ્યાસ હેઠળના નમૂનાઓમાં થતા ફેરફારોની નોંધણી કરવાની મંજૂરી આપે છે. આમાં, ખાસ કરીને, લેસર-પ્રેરિત ફ્લોરોસેન્સ, લેસર ફોટોયોનાઇઝેશન અને ફોટોડિસોસિએશનનો સમાવેશ થાય છે. ઓપ્ટિકલ-એકોસ્ટિક ટ્રાન્સડ્યુસર પરિણામી ધ્વનિ તરંગની તીવ્રતામાંથી મોડ્યુલેટેડ પ્રકાશના શોષણને માપે છે. ફોટોવોલ્ટેઇક કોષો જ્યારે ટ્યુનેબલ લેસર દ્વારા પસંદગીયુક્ત રીતે ઉત્તેજિત ઉચ્ચ સ્તરની વસ્તીનો અભ્યાસ કરે છે ત્યારે ગેસ ડિસ્ચાર્જમાં વર્તમાનને નિયંત્રિત કરે છે.

સંતૃપ્તિ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી.

તીવ્ર મોનોક્રોમેટિક લેસર રેડિયેશન સાથેના નમૂનાનું ઇરેડિયેશન સંક્રમણના ઉપલા સ્તરની વસ્તીમાં વધારો કરે છે અને પરિણામે, શોષણમાં ઘટાડો (સંક્રમણની સંતૃપ્તિ). લો-પ્રેશર વરાળમાં, પસંદગીયુક્ત સંતૃપ્તિ એવા અણુઓમાં જોવા મળે છે જેનો વેગ એવો હોય છે કે ડોપ્લર શિફ્ટને કારણે લેસર રેડિયેશન સાથે પડઘો પ્રાપ્ત થાય છે. પસંદગીયુક્ત સંતૃપ્તિ રેખાઓના ડોપ્લર વિસ્તૃતીકરણને વર્ચ્યુઅલ રીતે દૂર કરે છે અને ખૂબ જ સાંકડી રેઝોનન્ટ શિખરોનું અવલોકન કરવાનું શક્ય બનાવે છે.

રમન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી.

રમન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી એ બે-ફોટોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી છે જે અસ્થિર સ્કેટરિંગ પર આધારિત છે, જેમાં એક પરમાણુ નીચી ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં જાય છે, રેડિયેશન ફિલ્ડ સાથે બે ફોટોનની આપલે કરે છે. આ પ્રક્રિયામાં, એક પંપ ફોટોન શોષાય છે અને રામન ફોટોન ઉત્સર્જિત થાય છે. આ કિસ્સામાં, બે ફોટોનનો આવર્તન તફાવત સંક્રમણ આવર્તન સમાન છે. સંતુલન વસ્તીના કિસ્સામાં (પ્રારંભિક સ્થિતિની વસ્તી અંતિમ સ્થિતિ કરતા વધારે છે), રમન સંક્રમણની આવર્તન પંપ ફોટોન કરતા ઓછી છે; તેને સ્ટોક્સ આવર્તન કહેવામાં આવે છે. નહિંતર (સંયોજન સ્તરોની વસ્તી ઊંધી છે), ઉચ્ચ આવર્તન સાથે "એન્ટી-સ્ટોક્સ" રેડિયેશન ઉત્સર્જિત થાય છે. કારણ કે, બે-ફોટન સંક્રમણના કિસ્સામાં, પ્રારંભિક અને અંતિમ અવસ્થાઓની સમાનતા સમાન હોવી જોઈએ, રામન સ્કેટરિંગ IR શોષણ સ્પેક્ટ્રાના સંદર્ભમાં વધારાની માહિતી પ્રદાન કરે છે, જેને સમાનતામાં ફેરફારની જરૂર છે.

કેકેઆર.

સુસંગત એન્ટિ-સ્ટોક્સ રામન સ્કેટરિંગ (CAS) ની પદ્ધતિ સુસંગત પ્રકાશના ઉત્સર્જનનો ઉપયોગ કરે છે. CAS પ્રક્રિયા દરમિયાન, ફ્રીક્વન્સી સાથે નમૂના પર બે તીવ્ર પ્રકાશ તરંગો આવે છે n 1 અને n 2 ની આવર્તન સાથે કિરણોત્સર્ગના ઉત્સર્જનનું કારણ બને છે n 1 – n 2. જ્યારે આવર્તન તફાવત હોય ત્યારે પ્રક્રિયામાં તીવ્ર વધારો થાય છે n 1 – n 2 એ રમન સંક્રમણની આવર્તન સમાન છે. આ સંયોજન સ્તરોની ઊર્જા વચ્ચેના તફાવતને માપવાનું શક્ય બનાવે છે. KKR પદ્ધતિ અત્યંત સંવેદનશીલ છે.

લાગુ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી

સ્પેક્ટ્રલ પૃથ્થકરણનો લાંબા સમયથી રસાયણશાસ્ત્ર અને સામગ્રી વિજ્ઞાનમાં તત્વોની માત્રા નક્કી કરવા માટે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. સ્પેક્ટ્રલ વિશ્લેષણ પદ્ધતિઓ પ્રમાણિત છે, મોટાભાગના તત્વો અને ઘણા અણુઓની લાક્ષણિક રેખાઓ વિશેની માહિતી કમ્પ્યુટર ડેટાબેઝમાં સંગ્રહિત છે, જે રસાયણોના વિશ્લેષણ અને ઓળખને મોટા પ્રમાણમાં ઝડપી બનાવે છે.

હવાના વાતાવરણની સ્થિતિનું નિરીક્ષણ કરવાની એક અત્યંત અસરકારક પદ્ધતિ લેસર સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી છે. તે તમને હવામાં કણોના કદ અને સાંદ્રતાને માપવા, તેમનો આકાર નક્કી કરવા, તેમજ ઉપલા વાતાવરણમાં પાણીની વરાળના તાપમાન અને દબાણ પરનો ડેટા મેળવવા માટે પરવાનગી આપે છે. આવા અભ્યાસો લિડર (ઇન્ફ્રારેડ રેન્જનું લેસર સ્થાન) ની પદ્ધતિ દ્વારા હાથ ધરવામાં આવે છે.

સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીએ વિજ્ઞાનના ઘણા ક્ષેત્રોમાં મૂળભૂત પ્રકૃતિની માહિતી મેળવવાની વિશાળ તકો ખોલી છે. આમ, ખગોળશાસ્ત્રમાં, તારાઓની દ્રવ્ય અને તારાઓની અવકાશમાં સ્થિત અણુઓ, આયનો, રેડિકલ અને પરમાણુઓ પર ટેલિસ્કોપની મદદથી એકત્રિત કરવામાં આવેલ સ્પેક્ટ્રલ ડેટાએ તારાઓની રચના અને ઉત્ક્રાંતિ જેવી જટિલ કોસ્મોલોજિકલ પ્રક્રિયાઓ વિશેના આપણા જ્ઞાનને વધુ ગાઢ બનાવવામાં ફાળો આપ્યો. વિકાસના પ્રારંભિક તબક્કે બ્રહ્માંડ.

અત્યાર સુધી, જૈવિક પદાર્થોની રચના નક્કી કરવા માટે પદાર્થોની ઓપ્ટિકલ પ્રવૃત્તિને માપવા માટેની સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક પદ્ધતિનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. પહેલાની જેમ, જૈવિક અણુઓનો અભ્યાસ કરતી વખતે, તેમના શોષણ સ્પેક્ટ્રા અને ફ્લોરોસેન્સ માપવામાં આવે છે. લેસર ઉત્તેજના હેઠળ ફ્લોરોસીસ થતા રંગોનો ઉપયોગ કોષોમાં pH અને આયનીય શક્તિ નક્કી કરવા તેમજ પ્રોટીનમાં ચોક્કસ સ્થળોનો અભ્યાસ કરવા માટે થાય છે. રેઝોનન્ટ રામન સ્કેટરિંગની મદદથી, કોષોની રચનાની તપાસ કરવામાં આવે છે અને પ્રોટીન અને ડીએનએ પરમાણુઓની રચના નક્કી કરવામાં આવે છે. સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીએ પ્રકાશસંશ્લેષણ અને દ્રષ્ટિના બાયોકેમિસ્ટ્રીના અભ્યાસમાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવી છે. વધુને વધુ, લેસર સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીનો ઉપયોગ દવામાં પણ થઈ રહ્યો છે. ડાયોડ લેસરોનો ઉપયોગ ઓક્સિમીટરમાં થાય છે, એક ઉપકરણ જે સ્પેક્ટ્રમના નજીકના-IR પ્રદેશમાં બે અલગ-અલગ ફ્રીક્વન્સીઝમાંથી રેડિયેશનને શોષીને બ્લડ ઓક્સિજન સંતૃપ્તિ નક્કી કરે છે. કેન્સર, ધમનીના રોગ અને અન્ય સંખ્યાબંધ રોગોના નિદાન માટે લેસર-પ્રેરિત ફ્લોરોસેન્સ અને રામન સ્કેટરિંગનો ઉપયોગ કરવાની સંભાવનાનો અભ્યાસ કરવામાં આવી રહ્યો છે.

સાહિત્ય:

ઝાયડેલ એ.એન., ઓસ્ટ્રોવસ્કાયા જી.વી., ઓસ્ટ્રોવસ્કી યુ.આઈ. . સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીની તકનીક અને પ્રેક્ટિસ. એમ., 1972
લેટોખોવ વી.એસ., ચેબોટેરેવ વી.પી. નોનલાઇનર લેસર સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીના સિદ્ધાંતો. એમ., 1975
એલ્યાશેવિચ એમ.એ. સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી. ભૌતિક જ્ઞાનકોશીય શબ્દકોશ. એમ., 1995



ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન અને મોટા વિક્ષેપ સાથે સ્પેક્ટ્રલ સાધનોનો ઉપયોગ કરીને હાઇડ્રોજન અણુના સ્પેક્ટ્રમના અભ્યાસમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે હાઇડ્રોજનની વર્ણપટ રેખાઓ એક સુંદર માળખું ધરાવે છે, એટલે કે. ખૂબ સમાન તરંગલંબાઇ સાથે ઘણી રેખાઓ ધરાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, બાલ્મર શ્રેણીની હેડ લાઇન એચ એ nm ના તરંગલંબાઇ તફાવત સાથે પંચક છે (પાંચ અલગ રેખાઓ ધરાવે છે).

હાઇડ્રોજન જેવા અણુની સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓની સુક્ષ્મ રચના અણુ ન્યુક્લિયસના ચાર્જ અને ઇલેક્ટ્રોનની સ્પિન મેગ્નેટિક મોમેન્ટ વચ્ચેની વધારાની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે. આ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને સ્પિન-ઓર્બિટ કહેવામાં આવે છે.

ઇલેક્ટ્રોનનો કુલ કોણીય વેગ એ ભ્રમણકક્ષા અને સ્પિન ક્ષણોનો સરવાળો છે. આ ક્ષણોનો ઉમેરો ક્વોન્ટમ યાંત્રિક નિયમો અનુસાર થાય છે જેથી કુલ કોણીય વેગની ક્વોન્ટમ સંખ્યા jબે લઈ શકે છે
,
, જો
) અથવા એક (
, જો
) અર્થ .

વિવિધ મૂલ્યો સાથે અણુની સ્થિતિની સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને ધ્યાનમાં લેતા jવિવિધ ઊર્જા હોય છે, તેથી ઊર્જા સ્તર સાથે
નામના બે સબલેવલમાં વિભાજિત ડબલટ્સ. સાથે બિન-વિભાજિત સ્તરો
અને
કહેવાય છે સિંગલ્સ.

વિભાજન મૂલ્ય વેવ રિલેટિવિસ્ટિક ડિરાક સમીકરણ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, જે ઊર્જાને કરેક્શન આપે છે (5.2):

, (5.4)

જ્યાં
દંડ માળખું સ્થિર છે. ઉર્જા ઇ એનજેસ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા આશરે છે
ઇલેક્ટ્રોનની ઊર્જાનો ભાગ ઇ n. સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓના સૂક્ષ્મ બંધારણના ઘટકો વચ્ચેના સાપેક્ષ તફાવતમાં નાનાતાનો સમાન ક્રમ છે. આ પ્રયોગશાળાના કાર્યમાં, સાધનોનું રીઝોલ્યુશન અમને હાઇડ્રોજન અણુની વર્ણપટ રેખાઓના આવા નાના વિભાજનને અવલોકન કરવાની મંજૂરી આપતું નથી.

3. મલ્ટિઇલેક્ટ્રોન અણુઓ

મલ્ટિ-ઇલેક્ટ્રોન અણુમાં ચાર્જ સાથે ન્યુક્લિયસ હોય છે ઝેઅને ન્યુક્લિયસની આસપાસના ઇલેક્ટ્રોન શેલ સાથે ઝેડઇલેક્ટ્રોન (પારાના અણુ માટે
). મોટી સંખ્યામાં કણોને કારણે અણુના સમગ્ર ઇલેક્ટ્રોન શેલના તરંગ કાર્યનું ચોક્કસ નિર્ધારણ અશક્ય છે. ઝેડ. સામાન્ય રીતે, અણુ મોડેલનો ઉપયોગ ગણતરી માટે કરવામાં આવે છે, જેમાં અણુમાં ઇલેક્ટ્રોનની વ્યક્તિગત સ્થિતિનો વિચાર સાચવવામાં આવે છે. આ અભિગમમાં, કહેવાય છે એક-કણ અંદાજ, વ્યક્તિગત ઇલેક્ટ્રોનની સ્થિતિ ચાર ક્વોન્ટમ સંખ્યાઓનો ઉપયોગ કરીને વર્ણવવામાં આવે છે n, l, m, m s. તે જ સમયે, પાઉલી સિદ્ધાંત મુજબ, એક ક્વોન્ટમ સ્થિતિમાં એક કરતાં વધુ ઇલેક્ટ્રોન હોઈ શકે નહીં. મુખ્ય ક્વોન્ટમ નંબરના આપેલ મૂલ્ય સાથે અણુના ઇલેક્ટ્રોન nશેલ (સ્તર) બનાવો. ક્વોન્ટમ સંખ્યાઓના આપેલ મૂલ્યો સાથે ઇલેક્ટ્રોનનો સમૂહ nઅને lસબશેલ બનાવે છે. સબશેલ્સ અક્ષરો દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે: s, પી, ડી, f, … , જે મૂલ્યોને અનુરૂપ છે
સબશેલમાં ઇલેક્ટ્રોનની મહત્તમ સંખ્યા છે
. એટી sસબશેલ આ સંખ્યા 2 છે, માં પીશેલ - 6, માં ડીશેલ - 10, માં fશેલ - 14, વગેરે.

ઇલેક્ટ્રોનિક રૂપરેખાંકનઅણુમાં ઈલેક્ટ્રોનનું વિતરણ કહેવાય છે જે અલગ-અલગ સાથે સિંગલ-પાર્ટીકલ અવસ્થાઓ પર હોય છે nઅને l. ઉદાહરણ તરીકે, પારાના અણુ માટે, ઇલેક્ટ્રોનિક રૂપરેખાંકનનું હોદ્દો છે: , જ્યાં સબશેલના પ્રતીકોની ઉપરની સંખ્યાઓ આ સ્થિતિમાં ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા દર્શાવે છે. રૂપરેખાંકનમાં ઇલેક્ટ્રોન શેલ્સ અને સબશેલ્સની ગોઠવણી એ ક્રમ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે જેમાં સિંગલ-પાર્ટીકલ ઇલેક્ટ્રોનિક સ્ટેટ્સ ભરવામાં આવે છે. રાજ્યોનું ભરણ નીચા ઉર્જા સ્તરોથી શરૂ થાય છે. પારાના અણુમાં, પ્રથમ ચાર શેલ સંપૂર્ણપણે ભરાયેલા છે, જ્યારે પાંચમો અને છઠ્ઠો સંપૂર્ણ રીતે ભરાયેલા નથી. પારાના અણુની જમીનની સ્થિતિમાં, બે વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન 6 પર હોય છે sસબશેલ

મલ્ટિઈલેક્ટ્રોન અણુ માટે, સંપૂર્ણ રીતે ભરેલા આંતરિક શેલો અને સબશેલ્સનો કુલ કોણીય વેગ શૂન્ય બરાબર છે. તેથી, આવા અણુની કુલ કોણીય ગતિ બાહ્ય, સંયોજકતા, ઇલેક્ટ્રોનની ભ્રમણકક્ષા અને સ્પિન મોમેન્ટ્સ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસના કેન્દ્રિય સપ્રમાણ ક્ષેત્રમાં હોય છે અને બંધ શેલના ઇલેક્ટ્રોન હોય છે, તેથી તેમનો કુલ કોણીય વેગ એક સંરક્ષિત જથ્થો છે. પ્રકાશ અને મધ્યમ અણુઓ માટે, ઇલેક્ટ્રોનની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા, તેમની ભ્રમણકક્ષા અને સ્પિન ક્ષણોને કારણે, એ હકીકત તરફ દોરી જાય છે કે આ ક્ષણો અલગથી ઉમેરાય છે, એટલે કે. બધા ઈલેક્ટ્રોનનો ભ્રમણકક્ષાનો વેગ અણુના કુલ ભ્રમણકક્ષાના વેગમાં ઉમેરાય છે
, અને ઇલેક્ટ્રોનની સ્પિન ક્ષણો અણુના સ્પિન મોમેન્ટમાં ઉમેરાય છે
. આ કિસ્સામાં, અમે કહીએ છીએ કે ઇલેક્ટ્રોન વચ્ચે એલ-એસજોડાણ અથવા Rössel-Saunders જોડાણ.

ક્વોન્ટમ નંબરો એલઅને એસઅણુની ભ્રમણકક્ષા અને સ્પિન ક્ષણો કોણીય મોમેન્ટા ઉમેરવા માટેના સામાન્ય ક્વોન્ટમ-મિકેનિકલ નિયમો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો બે વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનમાં ક્વોન્ટમ સંખ્યાઓ હોય l 1 અને l 2, પછી એલનીચેના પૂર્ણાંક મૂલ્યો લઈ શકે છે:
. સ્પિન માટે સમાન નિયમ લાગુ કરવો, અને ઇલેક્ટ્રોનનો સ્પિન નંબર ધ્યાનમાં લેવો
, આપણને સંભવિત મૂલ્યો મળે છે એસબે વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન માટે:
.

ક્વોન્ટમ નંબરોના ચોક્કસ મૂલ્યોને અનુરૂપ ઊર્જા સ્તર એલઅને એસ, કહેવાય છે સ્પેક્ટ્રલ શબ્દ. સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાં, શબ્દને પ્રતીક દ્વારા દર્શાવવાનો રિવાજ છે
, જ્યાં મૂલ્યોને બદલે
પત્રો મૂકો એસ, પી, ડી, એફ, … અનુક્રમે. નંબર
કહેવાય છે બહુવિધતાટર્મા

સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને ધ્યાનમાં લેતા, ઉર્જા સ્તર, અથવા શબ્દ, અણુના કુલ કોણીય વેગના વિવિધ મૂલ્યોને અનુરૂપ સંખ્યાબંધ પેટા સ્તરોમાં વિભાજિત થાય છે. પદના આવા વિભાજનને કહેવાય છે પાતળુંઅથવા બહુવિધ. આપેલ નંબરો માટે એલઅને એસઅણુનો કુલ કોણીય વેગ
ક્વોન્ટમ નંબર દ્વારા નિર્ધારિત જે, જે મૂલ્યો લઈ શકે છે: . આપેલ મૂલ્યોને અનુરૂપ ફાઇન સ્ટ્રક્ચર ઘટકો અથવા ઊર્જા સબલેવલ એલ, એસઅને જેપ્રતીક દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે
.

જો પારાના અણુના બે સંયોજક ઇલેક્ટ્રોનની સ્પિન સંખ્યા
, પછી એકમાત્ર શક્ય મૂલ્ય
. આ કિસ્સામાં, શબ્દની ગુણાકાર સમાન છે
, એટલે કે બધા સ્તરો સિંગલ છે. તેમના સ્પેક્ટ્રલ હોદ્દો છે: ,,
,વગેરે

આર છે. 5.3

જો
, એ
, પછી ત્રણ કેસો શક્ય છે:
. આ કિસ્સામાં, ગુણાકાર છે
, એટલે કે બધા સ્તરો ત્રિપુટી છે. અને છેવટે, જો
, પછી એકમાત્ર મૂલ્ય
, અને આ રાજ્યનું સ્તર સિંગલ છે. આને અનુરૂપ, પારાના અણુમાં નીચેના સંભવિત ઉર્જા સ્તરો પ્રાપ્ત થાય છે: ,,,,
,
,
,
,,
વગેરે

તમામ સૂચિબદ્ધ ઉર્જા સ્તરો ક્વોન્ટમ અવસ્થાના વિવિધ સ્વીકાર્ય સેટ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે જેમાં પારાના અણુના વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન હોઈ શકે છે.

અલ્ટ્રાવાયોલેટ, દૃશ્યમાન અને ઇન્ફ્રારેડ પ્રદેશોમાં પારાના ઉત્સર્જન અને શોષણ સ્પેક્ટ્રાના વિશ્લેષણથી શક્ય ઊર્જા સ્તરો અને તેમની વચ્ચેના સંક્રમણોની સંપૂર્ણ યોજના તૈયાર કરવાનું શક્ય બન્યું (ફિગ. 5.3). ડાયાગ્રામ નેનોમીટરમાં પારાની વર્ણપટ રેખાઓની તરંગલંબાઇ તેમજ ક્વોન્ટમ નંબર દર્શાવે છે n દરેક સ્તર માટે .

આ યોજના અનુરૂપ ઉર્જા સ્તરોની નજીકના મુખ્ય ક્વોન્ટમ નંબરના મૂલ્યો દર્શાવે છે. અંજીર પર. 5.3 આ સંક્રમણોને અનુરૂપ પારાની સ્પેક્ટ્રલ રેખાઓના સ્તરો અને તરંગલંબાઇ વચ્ચેના સંક્રમણોને પણ સૂચવે છે. સંભવિત સંક્રમણો પસંદગીના નિયમો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે:
;
અને
, અને રાજ્યમાંથી સંક્રમણ
એક રાજ્યમાં
અશક્ય જરૂરિયાત થી
તે અનુસરે છે કે સમાન ગુણાકારના સ્તરો (સિંગલ-સિંગલ અને ટ્રિપ્લેટ-ટ્રિપ્લેટ ટ્રાન્ઝિશન) વચ્ચેના સંક્રમણોને મંજૂરી છે. જો કે, ફિગમાંથી જોઈ શકાય છે. 5.3, પસંદગીના નિયમો દ્વારા પ્રતિબંધિત સંક્રમણો (પાંચ સિંગલ-ટ્રિપલેટ ટ્રાન્ઝિશન) પણ જોવા મળે છે. પસંદગીના નિયમો દ્વારા પ્રતિબંધિત સંક્રમણોનું અસ્તિત્વ મોટી અણુ સંખ્યાવાળા અણુઓ માટે થાય છે. પારાના અણુઓના સ્તરો અને સંક્રમણોની યોજનાનો અભ્યાસ કરતી વખતે, નીચેના સંજોગો પર ધ્યાન આપવું જરૂરી છે: મોટી અણુ સંખ્યાઓ માટે, સ્પિન-ઓર્બિટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે બહુવિધ વિભાજનનું ખૂબ મહત્વ છે. તેથી, પારાના ત્રિપુટી સ્તર
એક ઇલેક્ટ્રોન વોલ્ટના ક્રમમાં વિભાજન (મહત્તમ અને લઘુત્તમ ઊર્જા વચ્ચેનો તફાવત) છે, જે પારાના અણુની જમીનની સ્થિતિની ઉર્જાનો લગભગ દસમો ભાગ છે. આ અર્થમાં, ઊર્જા સ્તરના વિભાજનને હવે "સૂક્ષ્મ" ગણી શકાય નહીં.