2023 مؤلف: Jake Johnson | [email protected]. آخر تعديل: 2023-05-24 23:12
مطياف الاهتزاز هو الاسم الذي يطلق على تقنية التحليل التي يستخدم فيها الإشعاع الكهرومغناطيسي لاختبار السلوك الاهتزازي للجزيئات ، ومراقبة امتصاص أو تشتت هذا الإشعاع.
نظرًا لأن الطاقات الاهتزازية للجزيئات تتراوح من 0 إلى 60 كيلو جول / مول ، يحدث امتصاص الإشعاع في نطاق الأشعة تحت الحمراء ، بين 0 و 5000 سم-1، في واحدة من الترددات الذاتية للمجموعات الجزيئية ، إذا كان الوضع الاهتزازي يعدل طول ثنائي القطب الكهربائي المقابل. ولذلك فإن الملاحظة المباشرة لامتصاص الإشعاع عن طريق الاهتزازات الجزيئية هي تجربة مطيافية بالأشعة تحت الحمراء.
يمكن أيضًا دراسة الاهتزازات الجزيئية من خلال تجربة تشتت الإشعاع ، عادةً في نطاق الضوء المرئي. في هذا النوع من التجارب ، يتم تعديل طاقة الإشعاع الساقط بشكل طفيف من خلال التفاعل غير المرن مع أوضاع الاهتزاز. تسمى مراقبة تشتت الضوء بالاهتزازات الجزيئية مطيافية رامان.
الفهم الكامل للتحليل الطيفي الاهتزازي ممكن فقط في سياق ميكانيكا الكم. يتنبأ الحل الكمي لمشكلة المذبذب التوافقي البسيط بقيم منفصلة للطاقة الاهتزازية ، والتي يتم تقديمهابواسطة:
حيث n هو رقم طبيعي يسمى عدد الكم الاهتزازي ،hهو ثابت بلانك و
هو تردد المذبذب التوافقي الكلاسيكي ، و k هو ثابت الربيع ، وμهو الكتلة المخفضة.
طاقة المذبذب التوافقي عندماn=0(حالة اهتزاز الأرض) تُعرف باسم طاقة نقطة الصفر.
في تجربة التحليل الطيفي ، تمت دراسة التحولات بين حالات الاهتزازات الكمية. على عكس الطاقة المتضمنة في الانتقال من الحالة الاهتزازية إلى الحالةمهي:
وترتبط شدة خط الامتصاص باحتمال الانتقال
n -> م
تُعرف مجموعة احتمالات الانتقال بين الحالات المحتملة n و m بمجموعة قواعد التحديد للانتقالات.
في حالة الجزيء ثنائي الذرة ، يحدث امتصاص الطاقة (وبالتالي الانتقال بين حالتين ذبذبات) فقط إذا:
1- سيكون هناك تغيير في قيمة ثنائي القطب الكهربائي لهذا الجزيء (p=Qr ، حيث Q هو الفرق في الشحنة بين المراكز الذرية و r هي المسافة بينهما).
2- يتغير رقم الكم الاهتزازي بوحدة واحدة ، أي Δn=± 1
قواعد الاختيار هذه صالحة فقط كتقريب أولي لأنه ، كما هو معروف ، الاحتمالبين الذرات ليس متناسقًا تمامًا. يتنبأ الحل الكمي لمشكلة المذبذب غير المتناسق بمستويات الطاقة مفصولة عن طريق تقليل اختلافات الطاقة مع زيادة رقم الكم الاهتزازي.
عادة ما يتم تحليل اهتزازات الجزيئات متعددة الذرات عن طريق معالجة كل وضع عادي للاهتزاز كمذبذب مستقل بمستويات الطاقة الخاصة به. ثم يتم حساب الطاقة الاهتزازية الكلية للجزيء كمجموع طاقة المذبذبات الفردية.
إدخال التناغم في دراسة السلوك الاهتزازي للجزيئات متعددة الذرات يعني أنه لم يعد من الممكن التعامل مع الأشكال الطبيعية على أنها مستقلة.
يمكن تمديد قواعد الاختيار التي تم الحصول عليها أعلاه لحالة الجزيء ثنائي الذرة لتشمل الجزيئات متعددة الذرات. بشكل عام ، لكي يكون الاهتزاز نشطًا لامتصاص الأشعة تحت الحمراء ، يجب أن تسبب الحركة الاهتزازية تغييرًا في العزم ثنائي القطب حتى عندما لا يحتوي الجزيء على عزم ثنائي القطب دائم (جزيء CO2 ، على سبيل المثال هو Apolar وله اهتزازان نشطان في الأشعة تحت الحمراء)
يمكن تقليل تعقيد مشكلة دراسة الطيف الاهتزازي للجزيئات متعددة الذرات بشكل كبير عند استكشاف خصائص التناظر للجزيئات ، وهو ما يتم إجراؤه كمساعد للنظرية الرياضية لمجموعات التماثل.
