Phổ quay và phổ dao động
Phổ quay trong vùng vi sóng và phổ dao động-quay trong vùng hồng ngoại phát sinh từ các chuyển đổi giữa các mức năng lượng chuyển động hạt nhân của phân tử, qua đó tiết lộ độ dài liên kết và hằng số lực của chúng.
Definition
Phổ quay và phổ dao động là phổ hấp thụ hoặc phát xạ được tạo ra bởi các chuyển đổi giữa các mức quay của phân tử (vùng vi sóng) hoặc giữa các mức dao động-quay (vùng hồng ngoại), được phép khi sự chuyển đổi làm thay đổi mômen lưỡng cực điện của phân tử.
Scope
Chủ đề này bao gồm quang phổ quay thuần túy trong vùng vi sóng và quang phổ dao động-quay trong vùng hồng ngoại: các quy tắc chọn lọc yêu cầu sự thay đổi mômen lưỡng cực, các vạch quay cách đều nhau, các nhánh P, Q và R của một dải dao động-quay, và việc trích xuất các hằng số quay, độ dài liên kết, và tần số dao động từ vị trí các vạch. Chủ đề này đề cập đến cả phân tử hai nguyên tử và các phân tử đa nguyên tử đơn giản.
Core questions
- Những quy tắc chọn lọc nào chi phối các chuyển đổi quay thuần túy và dao động-quay?
- Tại sao các vạch quay xuất hiện gần như cách đều nhau trong vùng vi sóng?
- Các nhánh P, Q và R của một dải hồng ngoại là gì?
- Độ dài liên kết và hằng số lực được thu nhận từ các phổ này như thế nào?
Key concepts
- Lưỡng cực vĩnh cửu và hoạt tính hồng ngoại
- Quy tắc chọn lọc quay ΔJ = ±1
- Hằng số quay và mômen quán tính
- Các nhánh P, Q và R
- Dao động cơ bản và các họa âm
- Xác định độ dài liên kết và hằng số lực
Key theories
- Phổ quay thuần túy
- Một phân tử có mômen lưỡng cực vĩnh cửu hấp thụ vi sóng trong các chuyển đổi với ΔJ = ±1, tạo ra một loạt các vạch gần như cách đều nhau, khoảng cách giữa các vạch này cho biết hằng số quay và do đó là mômen quán tính và độ dài liên kết.
- Các dải dao động-quay
- Một dao động hoạt động hồng ngoại kết hợp với các thay đổi quay đồng thời tạo ra một dải với các nhánh P (ΔJ = −1) và R (ΔJ = +1), và đôi khi là nhánh Q (ΔJ = 0), từ đó xác định được tần số dao động và các hằng số quay.
Clinical relevance
Quang phổ hồng ngoại là một công cụ tiêu chuẩn để xác định các nhóm chức năng và theo dõi các phản ứng trong hóa học; quang phổ vi sóng cung cấp các cấu trúc phân tử pha khí chính xác nhất; và cả hai đều đóng vai trò trung tâm trong việc phát hiện và định lượng khí nhà kính và khí vết trong viễn thám khí quyển và hóa học thiên văn.
History
Phổ dải hồng ngoại đã được đo đạc vào thế kỷ XIX nhưng chỉ được hiểu rõ sau khi cơ học lượng tử cung cấp sơ đồ mức quay và dao động vào cuối những năm 1920. Sự phát triển của các kỹ thuật vi sóng trong và sau Thế chiến thứ hai đã biến quang phổ quay thuần túy thành phương pháp chính xác nhất để xác định hình học phân tử.
Key figures
- Gerhard Herzberg
- Harald Bethe
- David Dennison
Related topics
Seminal works
- herzberg1950
- hollas2004
Frequently asked questions
- Tại sao một phân tử hai nguyên tử đồng hạt nhân như N₂ không có phổ hồng ngoại hoặc vi sóng?
- N₂ không có mômen lưỡng cực vĩnh cửu, và dao động kéo giãn đối xứng của nó không tạo ra mômen lưỡng cực, do đó cả sự quay lẫn dao động của nó đều không thể tương tác với ánh sáng thông qua cơ chế lưỡng cực. Tuy nhiên, nó có thể được phát hiện bằng tán xạ Raman.
- Khoảng cách giữa các vạch quay cho bạn biết điều gì?
- Các vạch cách nhau bằng hai lần hằng số quay, tỷ lệ nghịch với mômen quán tính. Do đó, việc đo khoảng cách này trực tiếp cho ra mômen quán tính và, đối với một phân tử hai nguyên tử, là độ dài liên kết.