طیف‌های چرخشی و ارتعاشی

طیف‌های چرخشی در ناحیه مایکروویو و طیف‌های ارتعاشی-چرخشی در ناحیه فروسرخ از گذارهای بین سطوح حرکت هسته‌ای یک مولکول ناشی می‌شوند و طول پیوندها و ثابت‌های نیروی آن را آشکار می‌سازند.

Definition

طیف‌های چرخشی و ارتعاشی، طیف‌های جذبی یا نشری هستند که توسط گذارها بین سطوح چرخشی یک مولکول (ناحیه مایکروویو) یا بین سطوح ارتعاشی-چرخشی (ناحیه فروسرخ) تولید می‌شوند، که زمانی مجاز هستند که گذار، گشتاور دوقطبی الکتریکی مولکول را تغییر دهد.

Scope

این موضوع طیف‌سنجی چرخشی خالص در ناحیه مایکروویو و طیف‌سنجی ارتعاشی-چرخشی در فروسرخ را پوشش می‌دهد: قواعد گزینش نیازمند گشتاور دوقطبی متغیر، خطوط چرخشی با فاصله یکسان، شاخه‌های P، Q و R یک باند ارتعاشی-چرخشی، و استخراج ثابت‌های چرخشی، طول پیوندها و فرکانس‌های ارتعاشی از موقعیت خطوط. این مبحث هم مولکول‌های دواتمی و هم مولکول‌های چنداتمی ساده را شامل می‌شود.

Core questions

• چه قواعد گزینشی بر گذارهای چرخشی خالص و ارتعاشی-چرخشی حاکم است؟
• چرا خطوط چرخشی در ناحیه مایکروویو تقریباً با فاصله یکسان ظاهر می‌شوند؟
• شاخه‌های P، Q و R یک باند فروسرخ چه هستند؟
• طول پیوندها و ثابت‌های نیرو چگونه از این طیف‌ها به دست می‌آیند؟

Key concepts

• دوقطبی دائمی و فعالیت فروسرخ
• قاعده گزینش چرخشی ΔJ = ±1
• ثابت چرخشی و گشتاور لختی
• شاخه‌های P، Q و R
• ارتعاش بنیادی و هارمونیک‌ها
• تعیین طول پیوند و ثابت نیرو

Key theories

طیف‌های چرخشی خالص

یک مولکول با گشتاور دوقطبی دائمی، مایکروویو را در گذارهایی با ΔJ = ±1 جذب می‌کند و مجموعه‌ای از خطوط تقریباً با فاصله یکسان تولید می‌کند که فاصله آن‌ها ثابت چرخشی و در نتیجه گشتاور لختی و طول پیوند را نشان می‌دهد.

باندهای ارتعاشی-چرخشی

یک ارتعاش فعال در فروسرخ همراه با تغییرات چرخشی همزمان، باندی با شاخه‌های P (ΔJ = −1) و R (ΔJ = +1) و گاهی یک شاخه Q (ΔJ = 0) تولید می‌کند که از آن فرکانس ارتعاشی و ثابت‌های چرخشی تعیین می‌شوند.

Clinical relevance

طیف‌سنجی فروسرخ ابزاری استاندارد برای شناسایی گروه‌های عاملی و پایش واکنش‌ها در شیمی است، طیف‌سنجی مایکروویو دقیق‌ترین ساختارهای مولکولی فاز گازی را ارائه می‌دهد، و هر دو برای تشخیص و اندازه‌گیری گازهای گلخانه‌ای و گازهای کمیاب در سنجش از دور جوی و اخترشیمیایی محوری هستند.

History

طیف‌های باند فروسرخ در قرن نوزدهم اندازه‌گیری شدند اما تنها پس از آنکه مکانیک کوانتومی طرح سطوح چرخشی و ارتعاشی را در اواخر دهه ۱۹۲۰ ارائه کرد، درک شدند. توسعه تکنیک‌های مایکروویو در طول و پس از جنگ جهانی دوم، طیف‌سنجی چرخشی خالص را به دقیق‌ترین روش برای تعیین هندسه‌های مولکولی تبدیل کرد.

Key figures

• Gerhard Herzberg
• Harald Bethe
• David Dennison

Seminal works

• herzberg1950
• hollas2004

Frequently asked questions

چرا یک مولکول دواتمی هم‌هسته مانند N₂ طیف فروسرخ یا مایکروویو ندارد؟

N₂ گشتاور دوقطبی دائمی ندارد و کشش متقارن آن نیز چنین گشتاوری ایجاد نمی‌کند، بنابراین نه چرخش و نه ارتعاش آن نمی‌تواند از طریق مکانیسم دوقطبی با نور برهم‌کنش داشته باشد. با این حال، توسط پراکندگی رامان قابل تشخیص است.

فاصله خطوط چرخشی چه چیزی را به شما می‌گوید؟

خطوط با دو برابر ثابت چرخشی فاصله دارند که با گشتاور لختی نسبت معکوس دارد. بنابراین، اندازه‌گیری فاصله، گشتاور لختی و برای یک مولکول دواتمی، مستقیماً طول پیوند را به دست می‌دهد.