สเปกตรัมการหมุนและการสั่น
สเปกตรัมการหมุนในช่วงไมโครเวฟและสเปกตรัมการสั่น-การหมุนในช่วงอินฟราเรดเกิดจากการเปลี่ยนสถานะระหว่างระดับการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสของโมเลกุล และเผยให้เห็นความยาวพันธะและค่าคงที่แรงของโมเลกุลนั้น
Definition
สเปกตรัมการหมุนและการสั่นคือสเปกตรัมการดูดกลืนหรือการปล่อยที่เกิดจากการเปลี่ยนสถานะระหว่างระดับการหมุนของโมเลกุล (ย่านไมโครเวฟ) หรือระหว่างระดับการสั่น-การหมุน (ย่านอินฟราเรด) ซึ่งจะเกิดขึ้นได้เมื่อการเปลี่ยนสถานะดังกล่าวทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้าของโมเลกุล
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมสเปกโทรสโกปีการหมุนบริสุทธิ์ในย่านไมโครเวฟและสเปกโทรสโกปีการสั่น-การหมุนในย่านอินฟราเรด: กฎการเลือกที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ขั้วคู่, เส้นสเปกตรัมการหมุนที่มีระยะห่างเท่ากัน, แขน P, Q, และ R ของแถบการสั่น-การหมุน, และการสกัดค่าคงที่การหมุน, ความยาวพันธะ, และความถี่การสั่นจากตำแหน่งของเส้นสเปกตรัม โดยจะกล่าวถึงทั้งโมเลกุลไดอะตอมิกและโมเลกุลโพลีอะตอมิกอย่างง่าย
Core questions
- กฎการเลือกใดที่ควบคุมการเปลี่ยนสถานะการหมุนบริสุทธิ์และการสั่น-การหมุน?
- เหตุใดเส้นสเปกตรัมการหมุนจึงปรากฏมีระยะห่างเกือบเท่ากันในย่านไมโครเวฟ?
- แขน P, Q, และ R ของแถบอินฟราเรดคืออะไร?
- ความยาวพันธะและค่าคงที่แรงได้มาจากสเปกตรัมเหล่านี้ได้อย่างไร?
Key concepts
- โมเมนต์ขั้วคู่ถาวรและการเกิดปฏิกิริยาอินฟราเรด
- กฎการเลือกการหมุน ΔJ = ±1
- ค่าคงที่การหมุนและโมเมนต์ความเฉื่อย
- แขน P, Q, และ R
- การสั่นพื้นฐานและโอเวอร์โทน
- การกำหนดความยาวพันธะและค่าคงที่แรง
Key theories
- สเปกตรัมการหมุนบริสุทธิ์
- โมเลกุลที่มีโมเมนต์ขั้วคู่ถาวรจะดูดกลืนไมโครเวฟในการเปลี่ยนสถานะที่มี ΔJ = ±1 ทำให้เกิดชุดของเส้นสเปกตรัมที่มีระยะห่างเกือบเท่ากัน ซึ่งระยะห่างนี้จะให้ค่าคงที่การหมุนและด้วยเหตุนี้จึงได้โมเมนต์ความเฉื่อยและความยาวพันธะ
- แถบการสั่น-การหมุน
- การสั่นที่ไวต่ออินฟราเรดร่วมกับการเปลี่ยนแปลงการหมุนพร้อมกันจะสร้างแถบสเปกตรัมที่มีแขน P (ΔJ = −1) และ R (ΔJ = +1) และบางครั้งก็มีแขน Q (ΔJ = 0) ซึ่งสามารถนำมาใช้กำหนดความถี่การสั่นและค่าคงที่การหมุนได้
Clinical relevance
สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดเป็นเครื่องมือมาตรฐานสำหรับการระบุหมู่ฟังก์ชันและการติดตามปฏิกิริยาทางเคมี สเปกโทรสโกปีไมโครเวฟให้โครงสร้างโมเลกุลในสถานะแก๊สที่แม่นยำที่สุด และทั้งสองวิธีมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตรวจจับและหาปริมาณก๊าซเรือนกระจกและก๊าซติดตามในการสำรวจระยะไกลทางบรรยากาศและทางเคมีดาราศาสตร์
History
สเปกตรัมแถบอินฟราเรดถูกวัดในช่วงศตวรรษที่สิบเก้า แต่เพิ่งจะเข้าใจอย่างถ่องแท้หลังจากที่กลศาสตร์ควอนตัมได้ให้แผนผังระดับการหมุนและการสั่นในช่วงปลายทศวรรษ 1920 การพัฒนาเทคนิคไมโครเวฟในช่วงและหลังสงครามโลกครั้งที่สองได้เปลี่ยนสเปกโทรสโกปีการหมุนบริสุทธิ์ให้เป็นวิธีการที่แม่นยำที่สุดในการกำหนดรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุล
Key figures
- Gerhard Herzberg
- Harald Bethe
- David Dennison
Related topics
Seminal works
- herzberg1950
- hollas2004
Frequently asked questions
- เหตุใดโมเลกุลไดอะตอมิกแบบโฮโมนิวเคลียร์เช่น N₂ จึงไม่มีสเปกตรัมอินฟราเรดหรือไมโครเวฟ?
- N₂ ไม่มีโมเมนต์ขั้วคู่ถาวร และการยืดแบบสมมาตรของมันก็ไม่ได้สร้างโมเมนต์ขั้วคู่ขึ้นมา ดังนั้นทั้งการหมุนและการสั่นของมันจึงไม่สามารถทำปฏิกิริยากับแสงผ่านกลไกขั้วคู่ได้ อย่างไรก็ตาม สามารถตรวจจับได้ด้วยการกระเจิงรามัน
- ระยะห่างของเส้นสเปกตรัมการหมุนบอกอะไรคุณได้บ้าง?
- เส้นสเปกตรัมมีระยะห่างเป็นสองเท่าของค่าคงที่การหมุน ซึ่งเป็นสัดส่วนผกผันกับโมเมนต์ความเฉื่อย ดังนั้นการวัดระยะห่างจึงให้ค่าโมเมนต์ความเฉื่อย และสำหรับโมเลกุลไดอะตอมิก จะได้ความยาวพันธะโดยตรง