Molekulska vibracija

Molekulska vibracija je periodično kretanje atom molekulama u odnosu jedan prema drugom, tako da centar mase molekula ostaje nepromijenjen. Tipske frekvencije vibracija kreću se od manje od 10¹³ Hz do približno 10¹⁴ Hz, što odgovara talasnim brojevima od približno 300 do 3000 cm⁻¹ i talasne dužine od približno 30 do 3 µm.

Za dvoatomsku molekulu A–B, frekvencija vibracije u sec⁻¹ je data sa ${\displaystyle \nu ={1 \over {2\pi }}{\sqrt {k \over \mu }}}$, gdje je k = konstanta sile u din/cm ili erg/cm² i μ = smanjena masa data prema ${\displaystyle {\frac {1}{\mu }}={\frac {1}{m_{A}}}+{\frac {1}{m_{B}}}}$. Vibracioni talasni broj u cm⁻¹ je ${\displaystyle {\tilde {\nu }}\;={1 \over {2\pi c}}{\sqrt {k \over \mu }},}$ gdje je c = brzina svjetlosti u cm/sec.

Vibracije poliatomskih molekula opisane su u terminima normalnih modova, koji su nezavisni jedan od drugog, ali svaki normalni mod uključuje simultane vibracije različitih dijelova molekula. Općenito, nelinearna molekula sa N atomima ima 3N – 6 normalni načini vibracije, ali linearna molekula ima 3N ' – 5 modova, jer se rotacija oko molekulske ose ne može posmatrati.^[1] Diatomska molekula ima jedan normalan način vibracije, jer može samo rastegnuti ili stisnuti jednostruku vezu.

Molekulska vibracija pobuđuje se kada molekula apsorbira energiju, ΔE, što odgovara frekvenciji vibracije, ν, prema odnosu ΔE = hν, gdje je h = Plankova konstanta. Fundamentalna vibracija se izaziva kada jedan takav kvant energije apsorbuje molekulA u svom osnovnom stanju. Kada se apsorbuje više kvanta, prvi i eventualno viši overtonI su pobuđeni.

U prvoj aproksimaciji, kretanje u normalnoj vibraciji može se opisati kao TIP jednostavnog harmonijskog kretanja. U ovoj aproksimaciji, energija vibracije je kvadratna funkcija (parabola) u odnosu na atomske pomake i prvi ton ima dvostruko veću frekvenciju od osnovne. U stvarnosti, vibracije su anharmonične i prvi ton ima frekvenciju koja je nešto niža od dvostruko veće od osnovne. Ekscitacija viših tonova uključuje progresivno sve manje i manje dodatne energije i na kraju dovodi do disocijacije molekula, jer je potencijalna energija molekula više kao Morseov potencijal ili tačnije, Morse/dalekometni potencijal.

Vibraciona stanja molekula mogu se ispitati na različite načine. Najdirektniji način je putem infracrvene spektroskopije, jer vibracioni prijelazi obično zahtijevaju količinu energije koja odgovara infracrvenom području spektra. Ramanova spektroskopija, koja obično koristi vidljivo svjetlo, također se može koristiti za direktno mjerenje frekvencija vibracija. Ove dvije tehnike su komplementarne i poređenje između njih može pružiti korisne strukturne informacije kao što je u slučaju pravilo međusobnog isključivanja za centrosimetrične molekule.

Vibraciona ekscitacija se može javiti zajedno sa elektronskom ekscitacijom u ultraljubičasto-vidljivoj regiji. Kombinovana ekscitacija je poznata kao vibronska tranzicija, dajući vibracionu finu strukturu elektronske prelaze, posebno za molekule u plinskom stanju.

Istovremeno pobuđivanje vibracije i rotacije dovodi do vibracija-rotacija spektra.

1. ^ Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. (1976). Mechanics (3rd izd.). Pergamon Press. ISBN 0-08-021022-8.