2023 Autor: Jake Johnson | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-05-24 23:12
Vibraciona spektroskopija je naziv za tehniku analize u kojoj se elektromagnetno zračenje koristi za testiranje vibracionog ponašanja molekula, posmatrajući apsorpciju ili raspršivanje tog zračenja.
Pošto su vibracijske energije molekula u rasponu od 0 do 60 kJ/mol, apsorpcija zračenja se dešava u infracrvenom opsegu, između 0 i 5000 cm-1, u jednoj od sopstvenih frekvencija molekularnih grupa, ako mod vibracije modifikuje dužinu odgovarajućeg električnog dipola. Direktno posmatranje apsorpcije zračenja molekularnim vibracijama je stoga eksperiment infracrvene spektroskopije.
Molekularne vibracije se takođe mogu proučavati eksperimentom rasipanja zračenja, obično u opsegu vidljive svetlosti. U ovoj vrsti eksperimenata energija upadnog zračenja je neznatno modificirana neelastičnom interakcijom s modovima vibracija. Opažanje rasipanja svjetlosti molekularnim vibracijama naziva se Ramanova spektroskopija.
Potpuno razumevanje vibracione spektroskopije moguće je samo u kontekstu kvantne mehanike. Kvantno rješenje problema jednostavnog harmonijskog oscilatora predviđa diskretne vrijednosti za energiju vibracija, koje su dateod:
Gdje je n prirodni broj koji se zove vibracioni kvantni broj, h je Plankova konstanta i
je frekvencija klasičnog harmonijskog oscilatora, k je konstanta opruge, a μ je smanjena masa.
Energija harmonijskog oscilatora kada je n=0 (prizemno vibracijsko stanje) poznata je kao energija nulte tačke.
U eksperimentu spektroskopije proučavaju se prijelazi između kvantiziranih vibracionih stanja. Za razliku od energije uključene u prelazak iz vibracionog stanja u stanje m je:
I intenzitet linije apsorpcije povezan je sa vjerovatnoćom prijelaza
n -> m
Skup vjerovatnoća prijelaza između mogućih stanja n i m poznat je kao skup pravila odabira za prijelaze.
U slučaju dvoatomske molekule, apsorpcija energije (a samim tim i prijelaz između dva vibraciona stanja) se događa samo ako:
1- Došlo bi do promjene vrijednosti električnog dipola tog molekula (p=Qr, gdje je Q razlika u naboju između atomskih centara, a r udaljenost između njih).
2- Vibracioni kvantni broj se menja za jednu jedinicu, tj. Δn=±1
Ova pravila odabira vrijede samo kao prva aproksimacija jer, kao što je poznato, potencijalmeđuatomski nije savršeno harmoničan. Kvantno rješenje problema anharmoničkog oscilatora predviđa nivoe energije razdvojene smanjenjem energetskih razlika kako se vibracioni kvantni broj povećava.
Vibracije poliatomskih molekula se obično analiziraju tretiranjem svakog normalnog načina vibracije kao nezavisnog oscilatora sa sopstvenim nivoima energije. Ukupna energija vibracija molekula se tada izračunava kao zbir energije pojedinačnih oscilatora.
Uvođenje anharmoničnosti u proučavanje vibracionog ponašanja poliatomskih molekula znači da se normalni oblici više ne mogu tretirati kao nezavisni.
Pravila selekcije dobijena gore za slučaj dvoatomske molekule mogu se proširiti na poliatomske molekule. Općenito, da bi vibracija bila aktivna za apsorpciju infracrvenog zračenja, vibracijsko kretanje mora uzrokovati promjenu dipolnog momenta čak i kada molekul nema stalni dipolni moment (CO2 molekul, na primjer je apolaran i ima dvije aktivne vibracije u infracrvenom)
Složenost problema proučavanja vibracionog spektra poliatomskih molekula može se znatno smanjiti kada se istraže svojstva simetrije molekula, što se radi kao pomoć matematičkoj teoriji grupa simetrije.
