转动和振动光谱
微波区域的转动光谱和红外区域的振动-转动光谱来源于分子核运动能级之间的跃迁，并揭示了其键长和力常数。
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Definition
转动和振动光谱是分子转动能级（微波区域）或振动-转动能级（红外区域）之间跃迁产生的吸收或发射光谱，当跃迁改变分子的电偶极矩时允许发生。
Scope
本主题涵盖微波区域的纯转动光谱和红外区域的转动-振动光谱：需要偶极矩变化的选律、等间距的转动谱线、振动-转动谱带的P、Q和R支，以及从谱线位置提取转动常数、键长和振动频率。它涉及双原子分子和简单的多原子分子。
Core questions
- 什么选律支配着纯转动和振动-转动跃迁？
- 为什么转动谱线在微波区域看起来几乎等间距？
- 红外谱带的P、Q和R支是什么？
- 如何从这些光谱中获得键长和力常数？
Key concepts
- 永久偶极和红外活性
- 转动选律 ΔJ = ±1
- 转动常数和转动惯量
- P、Q和R支
- 振动基频和泛频
- 键长和力常数测定
Key theories
- 纯转动光谱
- 具有永久偶极矩的分子在ΔJ = ±1的跃迁中吸收微波，产生一系列几乎等间距的谱线，其间距给出转动常数，从而得到转动惯量和键长。
- 振动-转动谱带
- 红外活性振动与同时发生的转动变化相结合，产生具有P (ΔJ = −1) 和R (ΔJ = +1) 支（有时还有Q支 (ΔJ = 0)）的谱带，从中确定振动频率和转动常数。
Clinical relevance
红外光谱是化学中识别官能团和监测反应的标准工具，微波光谱提供了最精确的气相分子结构，两者对于大气和天体化学遥感中温室气体和痕量气体的检测和量化都至关重要。
History
红外谱带光谱在19世纪就被测量，但直到20世纪20年代末量子力学提供了转动和振动能级方案后才被理解。第二次世界大战期间及之后微波技术的发展使纯转动光谱成为确定分子几何结构最准确的方法。
Key figures
- Gerhard Herzberg
- Harald Bethe
- David Dennison
Related topics
Seminal works
- herzberg1950
- hollas2004
Frequently asked questions
- 为什么像N₂这样的同核双原子分子没有红外或微波光谱？
- N₂没有永久偶极矩，其对称伸缩振动也不会产生偶极矩，因此其转动和振动都不能通过偶极机制与光相互作用。然而，它可以通过拉曼散射检测到。
- 转动谱线的间距说明了什么？
- 谱线间距是转动常数的两倍，转动常数与转动惯量成反比。因此，测量间距可以直接得到转动惯量，对于双原子分子，还可以直接得到键长。