Dərslik respublikanın universitetlərinin fizika fakültələrinin tələbələri üçün "Atom fizikası"
Шякил Ё95. Sərt rotator. Seçmə qaydaları
Download 18,1 Mb. Pdf ko'rish
|
Шякил
Əvvəlcə birölçülü sərt rotator üçün Şredinger tənliyini həll edək. Sabit r radiuslu çevrə üzrə hərəkət edən hissəcik birölçülü sərt rotator adlanır (şəkil 95.1). Belə hissəciyin
pozmadan birölçülü sərt rotator üçün u(r)=0 götürmək olar. Onda birölçülü sərt rotator üçün Şredinger tənliyi ψ ψ E dx d m = − 2 2 2 2 h (95.1) kimi yazıla bilər. Burada x məsafəsi çevrə üzrə ölçülür. 95.1 şəklindən görünür ki, bu hissəciyin vəziyyəti onun r radius vektorunun çevrənin mərkəzindən keçən və hesablama başlanğıcı kimi götürülən düz xətt ilə əmələ gətirdiyi θ bucağı ilə tam təyin olunur. Ona görə də r θ rr O Шякил
615 x=r θ
(95.2) olduğunu nəzərə alaraq, (95.1) tənliyində θ dəyişəninə keçmək daha əlverişlidir. Onda (95.2)-dən r x = θ , θ θ θ d d r dx d d d dx d 1 = = , 2 2 2 2 2 1 θ d d r dx d =
olduğundan (95.1) tənliyini 0 2 2 2 = + ψ θ ψ k d d
(95.3) kimi yazmaq olar. Burada 2 2 2 h
mr k =
(95.4) işarə edilmişdir. Aydındır ki, (95.3) tənliyinin ümumi həlli ψ =Acosk θ
(95.5) olar. A–normallaşdırıcı vuruqdur. (95.5) ifadəsində k-nın mümkün olan qiymətləri ψ –funksiyasının birqiymətli olması şərtinə əsasən müəyyən edilir. Belə ki, θ =0 olduqda ψ =A alınır. Dalğa funksiyasının birqiymətli olması şərti tələb edir ki, radius-vektor yenidən həmin nöqtəyə qayıtdıqda dalğa funksiyası yenə də həmin qiyməti almalıdır, yəni cosk θ ≡cosk( θ +2 π )=cos(k θ +k ⋅2 π ) şərti ödənməlidir. Bu şərtin ödənməsi üçün isə k=0, 1, 2, 3, …
(95.6) tam qiymətlər almalıdır. Deməli, (95.4) ifadəsinə əsasən birölçülü sərt rotatorun enerjisi diskret qiymətlər alır, yəni kvantlanır: 2 2
2 k mr E k ⋅ = h , k=0, 1, 2, …
(95.7) Beləliklə, sərt rotatorun enerjisini təyin edən k kvant ədədi sıfra da bərabər ola bilər, yəni əvvəl baxdığımız misallardan fərqli olaraq, sərt rotatorun əsas halının enerjisi sıfra bərabərdir. Lakin, bu, heç də çaşqınlıq yaratmamalıdır. Belə ki, çevrə üzrə hərəkət məhdud deyildir, çünki çevrənin başlanğıcı və sonu yoxdur. Məhz buna görə də çevrə üzrə hərəkət edən hissəciyin E enerjisinin sıfra bərabər olması qeyri-müəyyənlik münasibətlərinə zidd deyildir. (95.5) dalğa funksiyasının normallıq şərtinə əsasən π θ θ θ ψ ψ π π ⋅ = = = ∫ ∫ ∗ 2 2 0 2 2 2 0
cos
1 A d k A d
olduğundan, π 1 = A və
( ) θ π θ ψ
k cos
1 =
(95.8) 616
alınır. (95.7) və (95.8) ifadələrindən görünür ki, birölçülü sərt rotatorun enerji səviyyələri cırlaşmamışdır, yəni hər bir E k məxsusi qiymətinə bir dənə ψ
məxsusi funksiyası uyğun gəlir. İki qonşu səviyyənin enerjiləri fərqi ( ) 1 2 2 2 2 1 + = − = ∆ +
mr E E E k k k h
(95.9) olduğundan, deyə bilərik ki, k kvant ədədi artdıqca qonşu səviyyələr arasındakı məsafə də artır. Lakin k →∞ olduqda 0 1
~ 2 → + ∆
k E E k k
olduğundan, k kvant ədədinin çox böyük qiymətlərində enerji səviyyələri demək olar ki, bir-birinə qovuşur və enerjinin diskretliyi onun kəsilməzliyi ilə əvəz olunur. Hissəciyin çevrə üzrə hərəkəti zamanı onun impuls momenti M=m υ
enerjisi 2 2
m W k = arasında k mW r M 2 =
(95.10) kimi əlaqə vardır. Birölçülü sərt rotator üçün E=W k olduğundan, (95.7)-ni (95.10)-da nəzərə alsaq
(95.11) ifadəsini alırıq ki, bu da impuls momentinin kvantlandığını göstərir. Deməli, birölçülü sərt rotatorun həm enerjisi, həm də impuls momenti diskret qiymətlər alır. İndi isə üçölçülü sərt rotatora baxaq. Sabit r radiuslu sferanın səthi üzrə hərəkət edən hissəcik üçölçülü sərt rotator adlanır. Belə hissəciyin hərəkətinə sferik-simmetrik və ya mərkəzi sahədə hərəkət kimi baxmaq olar. Onda bu hissəciyin potensial enerjisi istiqamətdən, yəni sferik bucaqlardan asılı olmayıb, yalnız sferanın r radiusundan asılı olacaq və həm də sabit qiymət alacaqdır: u(r)=const. Ümumiliyi pozmadan belə hesab etmək olar ki, bu sabit, yəni üçölçülü sərt rotatorun potensial enerjisi sıfra bərabərdir. Deməli, sərbəst üçölçülü sərt rotatorun tam enerjisi E onun yalnız kinetik enerjisinə bərabərdir: E=E k . Göstərmək olar ki, üçölçülü sərt rotatorun kinetik və deməli, tam enerjisi
2 2 = =
(95.12) düsturu ilə təyin olunur. Burada M və I uyğun olaraq, sferanın mərkəzinə nəzərən hissəciyin impuls momenti və ətalət momentidir: M=m υ
I=mr 2 . (95.14) Aydındır ki, sferik səth üzrə fırlanan hissəciyin kinetik enerjisi ( )
2
2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 ω ω ω υ I mr r m m E k = = = = (95.15) 617
impuls momenti isə M=m υ
2 ω
ω
(95.16) kimi təyin olunur. Burada ϕ ϕ
& = = dt d –bucaq sürəti, υ =
r–xətti sürətdir. (95.15) və (95.16) ifadələrindən isə (95.12) düsturu dərhal alınır. Deməli, üçölçülü sərt rotator üçün Hamilton operatoru
2 ˆ ˆ 2 =
(95.17) kimi yazıla bilər. Deməli, sərbəst fəza rotatoru üçün Şredinger tənliyi ψ ψ
E I M H = = 2 ˆ ˆ 2
(95.18) şəklində olar. Buradan görünür ki, sərbəst fəza rotatorunun dalğa funksiyası impuls momenti operatorunun məxsusi funksiyası ilə eyni olmalıdır. Başqa sözlə, (84.29) ifadəsi ilə təyin olunan və operatorunun məxsusi funksiyası olan Y 2 ˆ
2 ˆ
lm ( θ , ϕ funksiyalar, həm də sərbəst üçölçülü sərt rotatorun halını təsvir edir. və
operatorları bir-biri ilə kommutativ olduğundan bu funksiyalar onların üçünün də eyni zamanda məxsusi funksiyasıdır. Ona görə də (84.37) və (84.38) ifadələri ilə yanaşı sərt fəza rotatoru üçün (95.18)-ə uyğun olaraq 2 ˆ
ˆ M H z Mˆ ( )
( ) ( ) ( ϕ θ ϕ θ ϕ θ , , 2 1 , 2 ˆ 2 2
l lm lm Y E Y I l l Y I M = + = h ) (95.19) bərabərliyi də ödənməlidir. Beləliklə, sərt fəza rotatorunun tam enerjisi ( )
... , 2 , 1 , 0 , 2 1 2 = + =
I l l E l h
(95.20) diskret qiymətlər alır, yəni kvantlanır. l kvant ədədi böyüdükcə qonşu səviyyələr arasındakı məsafə (enerji fərqi) artır. Doğrudan da, ( ) 1
1 + = − = ∆ + l I E E E l l l h
(95.21) olur. Lakin l-in çox böyük qiymətlərində rotatorun enerji səviyyələri sanki bir-birinə qovuşur: 0 2
lim = = ∆ ∞ → ∞ →
E E l l l l .
(95.22) Sərbəst fəza rotatorunun enerji səviyyələrini təyin edən l kvant ədədi bəzən rotasiya (fırlanma) kvant ədədi də adlanır. Rotator modelindən ikiatomlu molekulların hərəkətini və fırlanma spektrlərini, həm də nüvələrin fırlanma hərəkətini təsvir etmək üçün müvəffəqiyyətlə istifadə olunur. Bu zaman ikiatomlu molekulun ətalət momentini I=m 1
1 2 +m 2
2 2
m 1 və m 2 molekuldakı atomların kütlələri, r 1 və r 2 isə bu atomlardan molekulun kütlə mərkəzinə qədər olan məsafədir.
618 Ё84-də göstərilmişdir ki, Y lm ( θ , ϕ ) funksiyasının ifadəsinə daxil olan l və m kvant ədədləri arasında l m ≤ şərti ödənməlidir, yəni l kvant ədədinin verilmiş qiymətində m kvant ədədi 2l+1 sayda müxtəlif qiymətlər alır: m=-l, -l+1, …, 0, …, l-1, l. Bu isə o deməkdir ki, rotatorun l=0, m=0 əsas halına uyğun E 0 enerji səviyyəsindən başqa digər (l ≠0) bütün enerji səviyyələri 2l+1 tərtibdən cırlaşmışdır. Başqa sözlə, hər bir E l enerji
səviyyəsinə bir-birindən m kvant ədədi ilə fərqlənən 2l+1 sayda müxtəlif Y lm ( θ , ϕ ) məxsusi funksiyaları uyğun gəlir. Rotatorun enerji səviyyələrinin cırlaşması onunla əlaqədardır ki, sərt fəza rotatoru sferik simmetriyaya malik olduğundan koordinat başlanğıcından keçən bütün istiqamətlər eyni hüquqludur. Bu nəticəni ümumiləşdirərək belə demək olar ki, sferik simmetriyaya malik olan bütün sistemlərdə bü cür cırlaşma mövcud olmalıdır. Əgər hər hansı üstün istiqamət varsa (məsələn, maqnit sahəsinin istiqaməti), onda sferik simmetriya pozulur və impuls momenti vektorunun mümkün olan istiqamətləri artıq eyni hüquqlu olmur. Bunun da sayəsində cırlaşma ya tamamilə aradan qalxır, ya da onun tərtibi kiçilir (qismən aradan qalxır). Mˆ (95.20) düsturundan görünür ki, sərbəst üçölçülü sərt rotatorun enerjisinin ən kiçik qiyməti (əsas halın enerjisi) E 0 =0 olur. Lakin bu halda (l=0, m=0) rotatorun müşahidə olunması ehtimalının sıxlığı ( )
const Y = = π ϕ θ 4 1 , 2 00 olub, sferanın səthi üzərindəki bütün nöqtələrdə eynidir. Deməli, əsas halda rotatorun enerjisinin sıfra bərabər olmasına baxmayaraq, o, sükunətdə qalmayıb, hərəkət edir. Bu da qeyri-müəyyənlik prinsipinə (Ё69) uyğundur. Aydındır ki, ϕ θ
d d Y lm
sin 2 kəmiyyəti sabit radiuslu sfera üzərində hərəkət edən hissəciyin (sərt rotatorun) ( ϕ , ϕ +d ϕ ) və ( θ , θ +d θ ) bucaqları oblastında müşahidə olunması ehtimalını verir. (84.29) ifadəsindən göründüyü kimi, 2
Y kəmiyyəti ϕ bucağından asılı deyildir və ona görə də sərt rotatorun eyni bir d ϕ intervalında müşahidə olunması ehtimalı da eynidir. Məhz buna görə də θ θ π d Y lm
sin 2 2 ⋅ kəmiyyəti rotatorun ( θ , θ +d θ ) bucaq
intervalında müşahidə olunması ehtimalının sıxlığıdır. İndi isə sərbəst üçölçülü sərt rotator üçün seçmə qaydalarını müəyyən edək. (93.54) və (93.58) düsturlarından göründüyü kimi, bu məqsədlə ( ) ( )
∫ ∗ = = ϕ θ θ ϕ θ ϕ θ
d Y r Y r lm r m l lm m l lm m l
sin , , ' ' ' ' ,' ' r r r (95.23) matris elementlərini hesablamaq lazımdır. Belə ki, kvant ədədlərinin hər hansı bir dəyişməsi zamanı bu matris elementi sıfra bərabərdirsə, belə keçid qadağan olunmuşdur, yəni Ё93-də qeyd edildiyi kimi, bu qadağanın özü də tam ciddi deyildir. Çünki qadağan olunmuş keçidlər elə keçidlərdir ki, onların baş verməsi ehtimalı çox kiçikdir. Məsələn, kvadrupol şüalanmasının ehtimalı dipol şüalanmasının ehtimalına nisbətən xeyli kiçik olur. Seçmə qaydalarının əhəmiyyəti ondan ibarətdir ki, bu qaydaları bilərək şüalanmanın həm tezliyini, həm də intensivliyini /bax: (93.58)/ dərhal tapmaq olar. (95.23) ifadəsində rr radius-vektoru, yəni x,y,z koordinatları əvəzinə aşağıdakı kimi dəyişənlər daxil edək: z=acos θ ,
(95.24) 619
x+iy=asin θ
i ϕ , (95.25) x-iy=asin θ
-i ϕ . (95.26) Burada θ
ϕ –sferik bucaqlardır və r a r = işarə edilmişdir. Fizika baxımından bu, o deməkdir ki, rotatorun hərəkəti üç hərəkətə ayrılır: 1) z oxu boyunca rəqsi hərəkət; 2) XOY müstəvisi üzərində x+iy ilə xarakterizə olunan sağ fırlanma; 3) XOY müstəvisi üzərində x-iy ilə xarakterizə olunan sol fırlanma. Bu üç hərəkət birlikdə hissəciyin a radiuslu sfera üzrə hərəkətini verməlidir. Deməli, seçmə qaydalarının təyini yeni (95.24)-(95.26) dəyişənlərinin aşağıdakı matris elementlərinin hesablanmasına gətirilir: ( )
( ) ∫ ∗ = ϕ θ θ ϕ θ θ ϕ θ d d Y Y z lm m l lm m l
sin ,
cos , ' ' ,' ' , (95.27) ( ) ( ) ( )
∫ ∗ = + ϕ θ θ ϕ θ θ ϕ θ ϕ d d Y e Y iy x lm i m l lm m l
sin ,
sin , ' ' ,' ' , (95.28) ( ) ( ) ( )
∫ − ∗ = − ϕ θ θ ϕ θ θ ϕ θ ϕ
d Y e Y iy x lm i m l lm m l
sin ,
sin , ' ' ,' ' . (95.29) (95.27)-(95.29) ifadələrində sadəlik naminə a=1 götürülmüşdür. (80.50)-(80.52) rekurent düsturlarında (80.58)-i nəzərə almaqla ( ) θ cos
m l N birləşmiş normalanmış Lejandr funksiyaları üçün tapılmış uyğun rekurent düsturlardan və (84.29) ifadəsindən istifadə etməklə Y lm ( θ , ϕ ) kompleks sferik funksiyalar üçün də aşağıdakı rekurent düsturları yazmaq olar: cos
θ Y lm =AY l+1,m +BY l-1,m ,
(95.30) 1 , 1 1 , 1
sin ± − ± ± + ± ± =
l m l lm i Y B Y A Y e m ϕ θ . (95.31) Burada aşağıdakı işarələmələr qəbul edilmişdir: ( ) ( )
( )( ) ( )( ) 3 2
1 2 1 1 1 2 , + + + + − + + = l l m l m l l m l A , (95.32) ( ) (
) ( )( ) 1 2 1 2 2 1 , − + − + = l l m l m l l m l B ,
(95.33) ( )
( ) ( )( ) ( )( ) 3 2 1 2 1
2 1 2 , + + ± + ± + + ± = ± l l m l m l l m l A , (95.34) ( ) ( )( ) ( )( ) 1 2 1 2 1
2 1 , − + − = ± l l m l m l l m l B m m m .
(95.35) (95.31), (95.34) və (95.35) ifadələrində hər yerdə ya yuxarıdakı, ya da aşağıdakı işarə götürülməlidir. Kompleks sferik funksiyalar üçün (95.30)-(95.31) rekurent düsturlarından və (84.34) ortonormallıq şərtindən istifadə edərək (95.27)-(95.29) matris elementləri üçün
620 z l'm',lm = δ m'm ⋅(A δ
+B δ
),
(95.36) (x+iy)
= δ m',m+1 ⋅(A + δ
+B + δ l',l-1 ),
(95.37) (x-iy)
= δ m',m-1 ⋅(A - δ
+B - δ l',l-1 ) (95.38) ifadələrini tapırıq. (95.32)-(95.35) düsturlarını nəzərə almaqla sıfırdan fərqli olan (95.36)- (95.38) matris elementlərinin ədədi qiymətlərini də (a=1 olduqda) tapa bilərik: ( ) ( ) (
) 3 2 1 2 1 1 2 2 2 ; , 1 + + − + + = + l l m l l z lm m l , (95.39) ( )( ) 1 2
1 2 2 1 2 2 ; , 1 − + − = −
l m l l z lm m l ,
(95.40) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) 3 2 1 2 1
2 1 2 ; 1 , 1 + + ± + ± + + ± = ± ± + l l m l m l l iy x lm m l , (95.41) ( )
)( ) ( )( ) 1 2
1 2 1
2 1 ; 1 , 1 − + − = ± ± − l l m l m l l iy x lm m l m m m . (95.42) (95.36)-(95.38) ifadələrinə əsasən aşağıdakı seçmə qaydaları alınır: a)
z oxu boyunca baş verən rəqslər üçün ∆m=m-m'=0, ∆l=l-l'=±1;
(95.43) b) sağ fırlanma (x+iy) üçün ∆m=-1, ∆l=±1;
(95.44) v) sol fırlanma (x-iy) üçün ∆m=+1, ∆l=±1.
(95.45) Bu qaydaları ümumiləşdirərək belə nəticəyə gəlmək olar ki, sərbəst üçölçülü sərt rotator üçün l orbital və m maqnit kvant ədədlərinin yalnız ∆l=l-l'=±1
(95.46) ∆m=m-m'=0,±1
(95.47) kimi dəyişməsi ilə baş verən dipol keçidləri mümkündür. Qeyd edək ki, (95.46) və (95.47) seçmə qaydaları həm də ixtiyari sferik simmetrik sistemlər, və xüsusi halda, hidrogenəbənzər atomlar üçün də doğrudur. Seçmə qaydalarını bilərək rotator üçün mümkün olan şüalanma və ya udulma tezliklərini tapmaq olar: h ' ' ' 2 l l ll ll E E − = = πν ω . (95.48) Rotatorun enerjisi üçün (95.20) ifadəsini (95.48)-də yazaraq və baxılan halda onun ətalət momentinin dəyişmədiyini nəzərə alaraq
621
( ) ( [ ] 1 ' ' 1 2 ' + − + = l l l l I ll h ω )
(95.49) yaza bilərik. (95.46)-ya əsasən buradan l I l l h = −1 , ω ,
(95.50) ( )
1 1 , + − = + l I l l h ω
(95.51) alarıq. Qeyd edək ki, ω
tezliyi yuxarı enerji səviyyəsindən aşağı səviyyəyə, ω
tezliyi isə, əksinə, aşağı enerji səviyyəsindən yuxarı səviyyəyə keçidə uyğun gəlir. Yuxarıda qeyd etdiyimiz kimi, rotasiya (fırlanma) spektrləri molekulların spektrlərini tədqiq edərkən rast gəlinir. Molekulun şüalanması yalnız rotasiya keçidləri sayəsində baş verirsə, onda bu şüalanmanın tezliyi (95.50) düsturu ilə təyin olunur. Bu düsturdan görünür ki, sırf rotasiya spektri bir-birindən bərabər məsafələrdə yerləşmiş xətlər çoxluğundan ibarətdir (şəkil 95.2). Bu xətlər uzaq infraqırmızı oblastda (dalğa uzunluğu ~100-300
yerləşmişdir və məhz buna görə də onların təcrübi tədqiqi bir sıra çətinliklərlə qarşılaşır. Fırlanma spektrində xətlər arasındakı məsafəni ölçərək molekulun ətalət momenti və deməli, onun həndəsi quruluşu haqqında fikir yürütmək olar. Molekulların rotasiya spektri onların rəqs spektrinin fonunda zolaqlar şəklində müşahidə olunur. 4 3 2 1 l = 0 ω
=4 ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
=4 ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
Download 18,1 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling