弗兰克-康登原理(Franck-Condon principle)是量子力学中用于解释分子电子跃迁过程中振动能级变化的一个原理。根据这一原理,在分子的电子跃迁过程中,核的运动可以近似看作是冻结的,即电子从一个能级跃迁到另一个能级时,核的运动可以忽略不计。因此,电子跃迁主要发生在垂直方向上,即在两个不同电子能级间,分子的几何构型保持不变。
弗兰克-康登原理指出,在分子电子跃迁过程中,当两个振动能级(分别属于不同的电子能级)的波函数有效重叠程度最大时,这两个振动能级之间的跃迁发生的概率最大。这意味着,电子跃迁发生时,分子的振动能级变化取决于两个能级间波函数的重叠程度。如果两个振动能级的波函数重叠程度高,那么这两个能级之间的跃迁概率就大。
这一原理可以通过量子力学的波函数理论来解释。在量子力学中,分子的电子态和振动态都可以用波函数来描述。电子跃迁时,分子的波函数会从一个电子态的波函数变为另一个电子态的波函数。由于电子态的改变,分子的振动能级也会随之改变。根据量子力学的变分原理,跃迁概率与两个波函数的重叠程度成正比。
弗兰克-康登原理在光谱学中有着重要的应用,它可以用来解释分子吸收光谱和发射光谱的强度分布。通过分析光谱中不同振动能级之间的跃迁强度,可以推断出分子的电子结构和振动模式。
上图是一个弗兰克-Condon图,它展示了在电子跃迁过程中,不同振动能级之间的波函数重叠情况。图中的竖线表示不同电子能级之间的跃迁,而横线表示不同振动能级。从图中可以看出,当两个振动能级的波函数重叠程度最大时,这两个能级之间的跃迁概率也最大。
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