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Infrared Spectroscopy plausible

Infrared Spectroscopy plausible

Infrarotspektroskopie plausibel

Petra Schulz

Theodor-Francke-Weg 65, D-38116 Braunschweig, Deutschland

Abstract

The rotation vibration spectra of small molecules can be described mathematically completely.Unfortunately, no vivid interpretation of the observed transitions exists. A qualitativeinterpretation attempt is undertaken for symmetric top molecules as example. For the first time therotation changes in the case of parallel and vertical bands are explained mechanistically. Aplausible photon model is represented simultaneously.

Kurzfassung

Die Rotations-Schwingungs-Spektren kleiner Moleküle lassen sich mathematisch vollständigbeschreiben. Was fehlt, ist eine anschauliche Deutung der beobachteten Übergänge. Es wird einqualitativer Deutungsversuch unternommen am Beispiel von symmetrischen Kreiselmolekülen.Parallel- und Senkrecht-Schwingungen mit den zugehörigen Rotationsübergängen in und quer zurFigurenachse samt einem Photonenmodell werden erstmals plausibel dargestellt.1. Einleitung

Bei der Infrarotspektroskopie (Rotations-Schwin-gungs-Spektroskopie) schlucken Moleküle Photo-nen im Energiebereich der Wärmeenergie. Für einebestimmte Molekülsorte ist dabei ein linienreichesSpektrum zu beobachten. Die quantitative Behand-lung von spektroskopischen Daten ist dank mathe-matischer Modelle auf der Basis der Quanten-mechanik bis in alle Einzelheiten bekannt. Diequalitative Deutung bleibt jedoch rätselhaft, obwohlwir im Zeitalter der Nanotechnologie leben. In dervorliegenden Arbeit wird ein qualitativer Deutungs-versuch unternommen. Dieser Erklärungsversuchist z. B. wichtig, wenn es gilt, Streuung aneinzelnen Molekülen oder auch an vielen Teilchenin einem Gitterverband unter kohärentem Laser-beschuß zu verstehen.

2. Was sind Photonen?

Große Frage nun: Was sind denn eigentlichPhotonen? Bei der DPG-Tagung in Dresden habeich versucht, Masse, Ladung und Spin plausibel zudefinieren und benutzte dabei ein anschaulichesPhotonenmodell [7]. Angenommen, es sollen Elek-tronen mit Photonen beschossen werden. Dann sinddie einfachsten Photonen (etwa als Stoßpartner von

ruhenden, bahndrehimpulslosen Elektronen) amehesten vergleichbar mit Geschosskugeln aus einemGewehr. Photonen haben somit

a) einen Vorwärtsdrang, einen Bahnimpuls, (in

Abb. 1 dargestellt als waagerechter Pfeil).Photonen sind allerdings schneller als Gewehr-kugeln, denn sie fliegen mit Lichtgeschwin-digkeit. Auf den - wie auch immer geartetenBahnimpuls - will ich im folgenden aber nichteingehen, dafür aber auf den Spin derLichtteilchen.

b) Photonen sind gedrallt wie heimtückische

Fußbälle oder Billardkugeln, also sie rotierenum die eigene Achse, sie besitzen einen Spin,(in Abb. 1 dargestellt als gebogener Pfeil). DerSpin befindet sich im einfachsten Fall entwederin der bzw. entgegengesetzt zur Ausbreitungs-richtung – also ein longitudinal polarisiertesPhoton (s. Abb. 1a) - oder senkrecht zur Aus-breitungsrichtung – also ein transversalpolarisiertes Photon (s. Abb. 1b).

In der Maxwell-Theorie werden nur die transversalpolarisierten Photonen berücksichtigt. Das istgewiss eine Unzulänglichkeit, zumindest in der(Molekül)-Spektroskopie. Natürlich kommen auchLinearkombinationen der beiden Polarisations-zustände im beliebigen Verhältnis gleichzeitig vor.

Abb. 1: Photon mit Vorwärtsimpuls und Spin

a) Beispiel eines longitudinal polarisierten Photons

b) Beispiel eines transversal polarisierten Photons

Infrared Spectroscopy plausible

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