2023 Autor: Jake Johnson | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-05-24 23:12
Molekularne vibracije se proučavaju iz spektroskopije. Postoji nekoliko metoda spektroskopske analize, a najpoznatija je infracrvena spektroskopija. Cilj je gotovo uvijek isti, otkriti "potpise" ili "otiske prstiju" koje svaka supstanca ili molekul emituje kada stupi u interakciju sa svjetlom.
Kroz spektroskopiju je moguće prepoznati prisustvo određenog molekula kroz vrh intenziteta njegove frekvencije vibracije, koja zavisi od masa i sila koje su u interakciji između atoma molekula. Vibracioni pokreti molekula mogu se klasifikovati u tri tipa:
a) mod proširenja, koji odgovara varijaciji udaljenosti između atoma;
b) način savijanja, koji odgovara varijaciji ugla formiranog od dvije veze na istom atomu i;
c) torzioni način, koji odgovara relativnoj rotaciji dvije grupe atoma na vezi
Kako svjetlost stupa u interakciju s molekularnim vibracijama
Upotrebićemo uobičajeni metod šematski predstavljanja energija vibracionih stanja pomoću dijagrama nivoa. Svaka moguća energija za vibraciju molekula će biti predstavljena crticom (__), raspoređenom prema rastućim vrijednostima energije, kao što smo vidjeli u slučaju elektrona u Borovom atomu..
Da pojednostavimo našeU opisu, pretpostavićemo da svaki normalni način vibracije ima samo dva moguća stanja (i energetski nivo). Najniži odgovara jednostavno zaustavljenom molekulu, bez vibriranja, dakle, sa energijom E0=0. Ovo je takozvano osnovno stanje molekularne vibracije. Drugi nivo odgovara energiji E1 koju molekul ima kada vibrira u jednom od svojih normalnih modova. Stoga, da bi se zaustavljeni molekul uvjerio da vibrira tim normalnim modom, potrebno je na njega primijeniti energiju E1. Ovo znači "uzbuditi" molekul, a onda će se to stanje zvati pobuđeno stanje.
Foton koji udari u molekul može obaviti taj posao umjesto vas. Dovoljno je da ima energiju Ef jednaku razlici energije između pobuđenog i fundamentalnog nivoa.
To jest, Ef=E1
U ovom slučaju, foton može progutati molekul i nestati. Kažemo da je foton apsorbovan. Molekularne vibracije obično apsorbuju fotone koji pripadaju infracrvenom području spektra.
Sada, hajde da vidimo šta se dešava u ramanskom rasejanju. U ovom slučaju, upadni foton ima energiju Ef mnogo veću od energije E1 normalnog moda. Udarajući u molekul, foton ga može pobuditi do stanja čija je energija EV mnogo veća od energije E1 vibracionog moda. Općenito, ova pobuda je elektronska, tipa koji nalazimo u slučaju atoma ugljika. Bohr. Ali, ova pobuđena stanja su vrlo nestabilna i molekul brzo pada u niže energetska stanja. Molekul se, na primjer, može vratiti u osnovno stanje (0), ponovno emitujući foton sa istom energijom kao i upadni foton, u smjeru koji može biti različit od smjera koji je imao prije. Za sve namjere i svrhe, upadni foton je jednostavno bio raspršen, ne izgubivši ništa od svoje početne energije. To je Rayleighovo rasipanje, kao što smo već vidjeli. Velika većina fotona udara u molekul na ovaj način.
Međutim, u nekim slučajevima, molekul se ne vraća u osnovno stanje. Nakon raspadanja, ostaje u vibracionom stanju (1), sa energijom (E1). U ovom slučaju, foton koji se ponovo emituje u bilo kom pravcu ima smanjenu energiju prema Ef – E1. Molekul i njegova vibracija kradu nešto energije od fotona. Ovo je vrsta ramanskog raspršenja.
Ali postoji još jedna mogućnost. Molekul možda već vibrira sa energijom E1 kada ga foton udari, dovodeći ga do mnogo veće energije EV'. Iz tog stanja V' molekul se raspada, ali sada u osnovno stanje (0), u procesu se emituje foton energije Ef + E1. Sada je foton taj koji je ukrao dio energije iz molekule, tako da Raman proces može proizvesti fotone sa energijom većom ili manjom od energije upadnog fotona.
Kada se energija fotona smanji stvarajući vibraciju molekula, proceszove se Stokes, iz istorijskih razloga. U drugom slučaju, u kojem se energija fotona povećava krađom vibracione energije iz molekula, proces se naziva anti-Stokes.
To čini da molekuli vibriraju čak i prije primanja svjetlosti je termalna agitacija. Okolina u kojoj se uzorak nalazi razmjenjuje toplinu (energiju) s molekulima, pobuđujući neke od njih na njihove normalne načine vibracije. To su oni koji mogu proizvesti anti-Stokes Ramanovo rasipanje. Obično u uzorku na sobnoj temperaturi, broj molekula koji se nalaze u opštinskom stanju je mnogo veći od broja molekula koji su već termički pobuđeni. Stoga je broj Stokesovih procesa veći od broja anti-Stokesovih procesa.
Kasnije ćemo vidjeti koja vrsta vibracije može generirati Ramanovo raspršenje, a kakva ne. To će nas odvesti u intimu interakcije između svjetlosti i materije.
