¿Cuantos números de bandas de luz visible en el espectro de emisión de nitrógeno molecular?

Question

Yo era entretenerse todo el día de hoy, mientras mis estudiantes estaban haciendo un laboratorio en la espectroscopia de hidrógeno, y eché un vistazo en el espectro de nitrógeno en el tubo de descarga. Este espectro tiene algunos muy visualmente espectaculares bandas que son fácilmente observadas. He estado reflexionando sobre si podría usar esto para hacer algo educativo y muy interesante, en una futura versión modificada de mi actividad del laboratorio. Antes de que pudiera hacerlo, me gustaría entender los números cuánticos o interpretación física de las bandas que yo estoy viendo. He intentado buscar en google para obtener información, pero hay una gran cantidad de datos en nitrógeno molecular, la mayoría de ella por la infrarroja o visible transiciones, y aunque tengo alguna idea general sobre la interpretación, yo no he tenido la suerte de excavar cualquier información sobre las transiciones específicas en realidad estoy viendo. Alguien puede ayudar?

La mayoría de los que fácilmente se observa la banda es una serie de 7 espaciados uniformemente a las transiciones en el verde a naranja región. Las longitudes de onda de ejecución de alrededor de 574 nm a aproximadamente 606 nm. Me encontré con este manual de laboratorio de la Universidad de Michigan, en la que el mismo transiciones se muestran en el panel de la izquierda de la figura 7. El derecho panelof la misma figura (copiado de Eisberg y Resnick) muestra una descripción genérica de cómo este espectro trata acerca de una molécula diatómica. Aparentemente estamos pasando de una configuración electrónica a otro, y la banda surge cuando se varía el número cuántico vibracional $v$ ya sea el estado inicial o el estado final. Dado que la banda termina de manera abrupta en el corto longitud de onda lado, parece que es el $v$ del estado final que es variable. La caída a un estado final con $v=0$ libera la cantidad máxima de energía). Así que me imagino que en términos de la inicial y la final $v$, lo estoy viendo 0-0, 0-1, 0-2, ... 0-6. (Me estoy imaginando que la inicial $v$ sería igual a cero debido a que las transiciones dentro de una banda de vibración tendría mayores probabilidades de las transiciones a la otra banda.)

Alguien me puede ayudar a averiguar lo que las configuraciones electrónicas son, y si estoy en lo correcto acerca de la $v$ números cuánticos? También no sé si esta es neutral N2 o el ion.

Aquí es nuestro mejor intento de capturar el espectro en una foto de la celebración de una rejilla de difracción en frente de un estudiante de teléfono celular:

La banda de la que me estoy refiriendo en esta pregunta, que es la más clara y más fácil de medir a través de nuestro espectrómetro, en realidad, no es resuelto en líneas individuales en esta foto, pero es la brillante banda que va desde verde a través de color naranja rojizo.

Hay una foto aquí que es mejor, pero con derechos de autor.

Answer 1

Pasé algún tiempo en esta mañana de trabajo en calcular esto, y creo que bastante tienen con la interpretación de ahora. Mi interpretación original estaba totalmente equivocado. La mayor fuente de información útil es una larga "atlas" de papel por Lofthus y Krupenie, que es fácil de encontrar en línea (ilegalmente, supongo).

Hay cosas que llaman positivos y negativos de las bandas:

La designación negativos y positivos de los grupos (o bandas) se refieren a la aparición de estas bandas en el negativo resplandor o la columna positiva, respectivamente, de una descarga eléctrica. La positiva grupos se deben a la molécula neutra, la negativa de los grupos a los solos cargados positivamente ion molecular. (Herzberg, Espectros Moleculares y Estructura Molecular)

Así, si estoy entendiendo bien, podría ser posible para poner a prueba algunas de estas interpretaciones, señalando el espectrómetro o de la cámara en diferentes partes de un tubo de descarga de gas. Mirar las fotos de la hyperphysics sitio web (vinculado a la cuestión), supongo que estaría buscando una diferencia entre la delgada cintura de la sonda y la grasa de los extremos. Las líneas de todos los que parecen ser más fuertes en la cintura, por lo que esto podría apoyar la hipótesis de que todo lo que estamos viendo es a partir de la molécula neutra (sistemas).

Lofthus la descripción, parece apoyar esta:

Toda la región visible ... [es] dominado por muy fuerte la Primera y la Segunda Positiva de los sistemas de... y solo en lugar de excitación especial las condiciones de estos sistemas pueden ser lo suficientemente suprimida para permitir la observación de los más débiles de los sistemas.

La primera banda se compone de las transiciones de la banda, construido en la segunda excitación electrónica ($B^3\Pi$) a la banda, construido en el primer estado excitado ($A^3\Sigma$). La notación X significa el estado del suelo, es Un primer estado excitado, y así sucesivamente para B y C.

El pre-superíndices 3 son los valores de 2S+1, donde S es el total de la electrónica de espín. Hay una regla de selección $\Delta S=0$, que es roto por el relativista acoplamiento spin-órbita; sus aproximado de validez conduce a Un estado de ser de larga duración, por lo que obtener la fluorescencia en nitrógeno, que puede estar presente en la aurora. (La auroral cosas parece complicado y controvertido.)

El $\Sigma$ e $\Pi$ especifique los valores de 0 y 1 para la $\Lambda$ número cuántico, que se refiere a la componente de la electrónica del momento angular a lo largo del eje de simetría. Este es un buen número cuántico debido a la simetría.

Aquí está un nivel de esquema de Wright y Winkler, Activo de Nitrógeno: la Física, la Química: Una Serie de Monografías, p. 14:

También hay números cuánticos $v$ (oscilador armónico cuántico número, 0, 1, 2, ...) y $J$ (momento angular debido a colectivos final sobre el extremo de la rotación, tomar sólo valores debido a que la molécula es homonucleares). Esperamos una energía vibracional $\hbar\omega_0 (v+1/2)$ y una energía rotacional $J(J+1)/2I$. Este último es demasiado pequeño para ser observables en la resolución que tenía disponible, pero usted puede ver la rotación de los estados en la U Mich figura.

El nitrógeno es inusual en comparación con otras moléculas diatómicas homonucleares debido a que su vínculo es muy fuerte. La energía de disociación es del 9,8 eV. Este parece ser el motivo de no ver similares banda de espectros de luz visible en un tubo de descarga cuando se mira en el hidrógeno o el oxígeno. En O2, por ejemplo, la energía de disociación es del 5,2 eV, así que creo que una descarga de gas es demasiado caliente para tener mucho de la molécula, y probablemente usted también no puede conseguir una excitación electrónica de la molécula.

Buscando en Lofthus las tablas, creo que tengo bastante claro que las identificaciones de los colores rojo y verde-naranja "bandas", que son los que me tienen exacta de la longitud de onda para. Estos se muestran en la figura 7 de la U Mich manual de laboratorio. El susto comillas son porque estos resultan no ser real bandas.

El verde-naranja de la "banda" parece consistir en una serie de transiciones en la primera positivos en el sistema con $\Delta v=-4$. Hemos 576 nm = 12-8, 580 nm = 11-7, etc.

Me equivoqué en mi expectativa de que todos los fuertes transiciones tendría una inicial $v=0$. En la mayoría de los casos, la inter-banda transiciones parecen competir bastante con el dentro de la banda de transiciones (pero no cuando hay una selección de la regla de la prevención, como en Una-X transiciones). Yo también estaba equivocado en la interpretación del "peine" o "valla" espectros se establece como 0-0, 0-1, 0-2, ..., es decir, las transiciones que todo se originó en un solo estado y terminados en los diferentes estados vibracionales. En realidad son las transiciones de la igualdad de $\Delta v$, por ejemplo, 12-8, 11-7, etc. Si el oscilador armónico frecuencias fueron los mismos para todas las bandas, a continuación, estos todos tienen la misma energía del fotón. Desde el oscilador armónico frecuencias en realidad son diferentes de alguna manera, las transiciones tienen desigual energías, y hacia fuera para hacer un "peine."

Las más altas tasas de transición se producen para ciertas combinaciones de inicial y final $v$. La h.o. wavefunctions dar las probabilidades para la distancia internuclear para tener valores diferentes. Para obtener una transición, necesita la wavefunctions de los estados inicial y final de la superposición. Dado que el valor de equilibrio de la separación internuclear no es el mismo para diferentes configuraciones electrónicas, no se obtiene necesariamente el más fuerte superposición de $\Delta v=0$. El wavefunctions tienden a tener altas probabilidades cerca de la clásica puntos de inflexión, tal como era de esperar desde el principio de correspondencia, ya un clásico del oscilador pasa más tiempo cerca de los puntos de inflexión.

El rojo de la "banda" es similar a la verde-naranja, pero con $\Delta v=-3$, por ejemplo, 630 nm = 10-7. El verde de la "banda" podría ser $\Delta v=-5$, a pesar de Lofthus describe como tener baja intensidad.

Yo no precisas de la longitud de onda para el otro, de menor longitud de onda de cosas. Pero observo algunas longitudes de onda en el 400-470 nm, y estos son demasiado corto para ser de los primeros positivos en el sistema. Estos pueden ser a partir de la segunda positivos en el sistema, que se encuentra en la UV y violeta, o desde la primera negativa del sistema. Lofthus dice, "El Primer Sistema Negativo es uno de los más destacados sistemas de banda en nitrógeno, y se compone de numerosas monoparentales bandas en la región 5870-2860 Un... Las bandas de frecuencia superpuesta por el más fuerte ...Segundo Positivos en el Sistema."