Электронно-колебательное взаимодействие

Разделение переменных, характеризующих электронные и ядерные движения в молекуле, обычно проводится в рамках т. наз. грубого приближения Борна-Оппенгеймера (см. Адиабатическое приближение), в к-ром электронная волновая функция задается лишь для нек-рой фиксир. геом. конфигурации ядер , где- радиус-вектор ядра

где r_i - радиусы-векторы электронов;- заряд ядра - расстояние от ядра до электрона i; суммирование ведется подиндексам всех электронов и ядер. Любая другая конфигурация, получающаяся в результате малых смещений ядер м. б. описана линейнонезависимыми обобщенными координатами q_v:

Для такой конфигурации потенциал электронно-колебательное взаимодействия V_eV можно записать в виде ряда разложения по степеням q_v:

причем все производные взяты в точке многомерного пространства ядерных конфигураций. Эти производные зависят только от электронных переменных, тогда как колебат. координаты q_vсуть малые смещения ядер. Поскольку потенциал V_ev содержит произведение тех и других, то он и называется потенциалом электронно-колебательного взаимодействия.
В адиабатич. приближении электронная волновая ф-ция Ф_i (r, R)зависит от переменных мгновенной ядерной конфигурации (в отсутствие вращения молекулы), поэтому электронно-колебательное взаимодействие задается операторами неадиабатич. связи электронного и колебат. движений. В простейшем случае двухатомной молекулы мгновенная ядерная конфигурация определяется всего лишь одной координатой R = |R_l—R₂|, а энергия электронно-колебательного взаимодействия и поправки к волновым ф-циям, обусловленные этим взаимод., зависят от множества величин вида и Ф_;> (i,j=1, 2, ...; угловые скобки означают интегрирование по электронным переменным), к-рые после преобразований м. б. сведены к выражениям, подобным (1) и (2) для грубого приближения Борна-Оппенгеймера.
Как правило, электронно-колебательное взаимодействие проявляется особенно сильно тогда, когда в молекуле имеются два близко расположенные квантовые состояния одного и того же типа симметрии, напр. состояния 1 и 2 с волновыми ф-циями соотв. и где и- волновые ф-ции для ядерной подсистемы в отсутствие электронно-колебательного взаимодействия. В силу того, что адиабатич. представление волновых ф-ций приближенно, более точное описание этих квантовых состояний имеет вид:

Обычно эта ситуация передается такими словами: "в состоянии 1 к ф-ции примешана ф-ция а в состоянии 2 к ф-ции примешана ф-ция". Следует отметить, что связанные с электронно-колебательным взаимодействием энергетич. поправки к адиабатич. приближению гораздо меньше, чем таковые к грубому приближению Борна-Оппенгеймера.
Учет электронно-колебательного взаимодействия приводит к ряду весьма важных эффектов. Для высокосимметричных молекул электронно-колебательное взаимодействие обусловливает появление Яна - Теллера эффектов, в частности расщепление уровней высокосимметричной конфигурации при понижении ее симметрии. Для молекул с более низкой симметрией оно изменяет правила отбора в мол. спектрах и приводит к перераспределению интенсивности линий и полос в этих спектрах. Так, правила отбора уже нельзя сформулировать отдельно для электронных и колебат. переходов, они будут определяться полными электронно-колебат. волновыми ф-циями и В частности, если переход между возбужденным 1 и основным 0состояниями в адиабатич. приближении был запрещен, а переход между возбужденным 2 и основным состояниями разрешен, то при учете электронно-колебательного взаимодействия волновая ф-ция первого возбужденного состояния 1 в общем случае будет содержать примесь ф-ции и переход, становится разрешенным. В этом случае говорят о "заимствовании интенсивности" переходом 01 у перехода 02.
При возбуждении молекулы связанное электронно-колебат. состояние, в к-рое она переходит, по энергии м. б. очень близко к отталкивательному электронно-колебат. состоянию. За счет электронно-колебательного взаимодействия происходит безызлучательный переход в отталкиват. состояние, что приводит к диссоциации молекулы (см. Предиссоциация).
Электронно-колебательное взаимодействие определяет неадиабатич. характер многих хим. р-ций, для к-рых описание поведения реагирующей системы невозможно в рамках представления о движении точки, изображающей эту систему, по единственной потенц. пов-сти (см. Динамика элементарного акта). Области вблизи барьера на пути р-ции по пов-сти потенц. энергии отвечают, как правило, сближению потенц. пов-стей (одной и той же симметрии) и перестройке электронной конфигурации системы. В этих областях учет электронно-колебательного взаимодействия становится, по-существу, обязательным. В ходе р-ции система взаимодействующих атомов и молекул проходит хотя бы через одну такую область, где адиабатич. приближение перестает быть справедливым и его необходимо.заменять на приближения, лучше учитывающие электронно-колебательное взаимодействие (наряду с др. эффектами, напр., спин-орбитальным взаимодействием).

Лит.: Берсукер И. Б., Полингер В. 3., Вибронные взаимодействия в молекулах и кристаллах, М., 1983; Жилинский Б.М., Теория сложных молекулярных спектров, М., 1989.

Я. Ф. Степанов.