Phổ quay và phổ dao động

Phổ quay trong vùng vi sóng đo cách các phân tử quay, và phổ dao động trong vùng hồng ngoại đo cách các liên kết của chúng kéo giãn và uốn cong, cùng nhau cung cấp thông tin chính xác về cấu trúc và liên kết.

Definition

Phổ quay và phổ dao động là các kỹ thuật thăm dò các mức năng lượng quay và dao động lượng tử hóa của các phân tử thông qua sự hấp thụ hoặc tán xạ bức xạ vi sóng, hồng ngoại và khả kiến, tiết lộ độ dài liên kết, hằng số lực và hình học phân tử.

Scope

Chủ đề này bao gồm phổ học về chuyển động hạt nhân: các mô hình rotor cứng và không cứng cung cấp các mức năng lượng quay và độ dài liên kết từ phổ vi sóng; các mô hình dao động điều hòa và không điều hòa cung cấp tần số dao động và hằng số lực từ phổ hồng ngoại; và cấu trúc dao động quay kết hợp. Nó bao gồm các quy tắc chọn lọc tổng quát và cụ thể yêu cầu mômen lưỡng cực thay đổi đối với hồng ngoại và độ phân cực thay đổi đối với tán xạ Raman, các mode chuẩn của các phân tử đa nguyên tử, và việc sử dụng các tần số nhóm để nhận dạng. Các chuyển đổi điện tử và cộng hưởng từ được xử lý riêng.

Core questions

• Làm thế nào các mức năng lượng quay tạo ra độ dài liên kết và mômen quán tính?
• Làm thế nào mô hình dao động điều hòa giải thích phổ dao động, và tại sao cần đến tính không điều hòa?
• Những quy tắc chọn lọc nào phân biệt các dao động hoạt động hồng ngoại với các dao động hoạt động Raman?
• Các mode chuẩn của các phân tử đa nguyên tử được đếm và đặc trưng như thế nào?

Key concepts

• Rotor cứng và các hằng số quay
• Dao động điều hòa và không điều hòa
• Các mode dao động chuẩn
• Các quy tắc chọn lọc hồng ngoại và Raman
• Các tần số nhóm và vùng vân tay

Key theories

Mô hình rotor cứng

Việc coi một phân tử là một vật thể cứng tạo ra các vạch quay cách đều nhau mà khoảng cách của chúng xác định mômen quán tính và do đó là độ dài liên kết, với sự biến dạng ly tâm là một hiệu chỉnh nhỏ ở các trạng thái quay cao.

Dao động tử không điều hòa và các quy tắc chọn lọc hồng ngoại

Các liên kết thực dao động không điều hòa, tạo ra các họa âm và sự hội tụ về phía sự phân ly; sự hấp thụ đòi hỏi sự thay đổi mômen lưỡng cực, trong khi tán xạ Raman đòi hỏi sự thay đổi độ phân cực, vì vậy hai kỹ thuật này bổ sung cho nhau.

Clinical relevance

Phổ hồng ngoại và Raman cung cấp khả năng nhận dạng nhanh chóng, không phá hủy các nhóm chức và hợp chất trong phân tích hóa học, kiểm soát chất lượng, pháp y và đặc trưng vật liệu, trong khi phổ vi sóng mang lại các hình học chính xác được sử dụng trong hóa học cấu trúc và phát hiện các phân tử trong không gian giữa các vì sao.

History

Các nghiên cứu hồng ngoại về dao động phân tử có từ đầu thế kỷ XX và được giải thích lượng tử vào những năm 1920; khám phá năm 1928 của Raman về tán xạ không đàn hồi đã mở ra một con đường bổ sung, và sự phát triển của phổ vi sóng sau Thế chiến thứ hai đã cho phép xác định hình học phân tử với độ chính xác cao.

Key figures

• Gerhard Herzberg
• C. V. Raman
• Walter Gordy

Seminal works

• atkins2018
• banwell1994

Frequently asked questions

Tại sao carbon dioxide hoạt động hồng ngoại mặc dù nó không có mômen lưỡng cực vĩnh cửu?

Hoạt động hồng ngoại yêu cầu một dao động làm thay đổi mômen lưỡng cực, chứ không phải là một lưỡng cực vĩnh cửu tồn tại; các mode kéo giãn không đối xứng và uốn cong của carbon dioxide tạo ra một lưỡng cực thoáng qua, đó cũng là lý do tại sao nó hoạt động như một khí nhà kính.

Phổ hồng ngoại và Raman bổ sung cho nhau như thế nào?

Một dao động hoạt động hồng ngoại nếu nó làm thay đổi mômen lưỡng cực và hoạt động Raman nếu nó làm thay đổi độ phân cực; trong các phân tử có tâm đối xứng, chúng loại trừ lẫn nhau, vì vậy hai phương pháp này cùng nhau tiết lộ các mode mà không phương pháp nào có thể phát hiện riêng lẻ.