振动光谱知识
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2 多原子分子的振动类型和振动自由度
1)振动类型
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CH2振动类型及自由度
as > s > i > o.o.p
光具有波粒二相性,可用波长( )、频率( )和波数( )来
描述。
爱因斯坦方程(微粒性): Eh
将光子的能量与其频率联系起来了。
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电磁辐射的特性:
具有光的吸收、发射、折射、反射、偏振等特性。光谱分 析方法则利用辐射能的某一特性,通过测量能量作用于待测物 质后产生的辐射信号的分析方法。如:
吸收特性 吸收光谱(红外、紫外、NMR) 散射特征 拉曼散射分析 发射特性 发射光谱法(荧光光谱、磷光光谱)
分子吸收光谱
uv vis (电子光谱)
IR (振动转动光谱) Laser Ram ann
XRD
NMR 、 ESR
原子发射光射光谱
荧光光谱
磷光光谱
光谱分析法的分类图
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在分子光谱中,根据电磁波的波长 ()划分为几个不同
的区域,如下图所示:
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▪ 第一节 振动光谱的基本原理
第三章 振动光谱
Vibrational Spectroscopy (IR & Raman
Spectra)
谭红琳
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▪ 第一节 振动光谱的基本原理 ▪ 第二节 红外光和红外光谱 ▪ 第三节 红外光谱的应用 ▪ 第四节 拉曼光谱 ▪ 第五节 拉曼光谱与红外光谱分析方法比较 ▪ 第六节 拉曼光谱原理及应用
可相互补充。
▪ 一般非对称振动产生强的红外吸收,
▪ 而对称振动则出现显著的拉曼谱带。
▪ 红外和拉曼分析法相结合,可以更完整地研究分子的振 动和转动能级,从而更可靠地鉴定分子结构
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第一节 振动光谱的基本原理
一、电磁辐射
电磁辐射即电磁波、辐射能,是一种以极快的速度穿过空间的 能量。
1873年J C Maxwell提出光是电磁波的一种形式,电磁波谱包 括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线和射线。
二、分子光谱与原子光谱
1、原子运动与原子光谱
原子的运动主要是电子在原子核周围运动,因此原子运动的 能量叫电子能,是电子在核周围运动、电子与电子之间以及电 子与核之间的作用产生的。原子光谱是原子中电子能级跃迁产 生的光谱。包括原子吸收与发射光谱。
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2、分子运动与分子光谱
与原子运动相比,分子运动较复杂,主要有分子的整个平动、 分子绕其质心的转动、分子中原子核的振动及分子中电子的运 动。各状态的能量为平动能、转动能、振动能和电子能。分子 的总能量由以下几种能量组成:
E总=Ee +
电子能
Ev +
振动能
Er
转动能
紫外光谱
3、光谱分析法的分类 可见光谱
按物质吸收和产生的辐射能分:
红外光谱 所需能量较低,波长较长
XRD、紫外光谱、红外、NMR、拉曼光谱
按作用物质的微粒分:原子与分子光谱
按分子或原子能级跃迁方向分. :吸收和发射光谱
原子吸收光谱
光谱分析
吸收光谱
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红外和拉曼光谱统称为分子振动光谱 但它们分别对基团的偶极矩和极化率的变化敏感
▪ 红外(Infrared 缩写为IR)和拉曼(Raman)光谱在 材料领域的研究中占有十分重要的地位
▪ 它们研究材料的化学和物理结构及其表征的基本手段 ▪ 红外光谱为极性基团的鉴定提供最有效的信息 ▪ 拉曼光谱对研究物质的骨架特征特别有效 ▪ 在研究高聚物结构的对称性方面,红外和拉曼光谱两者
▪ 三、定义及分类
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所谓振动光谱是指物质分子或原子基团的振
动所产生的光谱。
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如果将透过物质的电磁辐射用单色器加以色
散,使波长按长短依次排列,同时测量在不同波
长处的辐射强度,得到的是吸收光谱。
▪ 如果用的光源是红外光谱范围,即0.781000µm,就是红外吸收光谱。如果用的是强单 色光,例如激光,产生的是激光拉曼光谱。
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▪ 即:
▪ 3n = 振动自由度 + 平动自由度 + 转动自由度 ▪ 振动自由度 = 3n - 平动自由度 - 转动自由度 ▪ 对于非线性分子,振动自由度 = 3n - 6 ▪ 对于线性分子,振动自由度 = 3n - 5 理论上,每个振动自由度(基本振动数)在红外光谱
区均产生一个吸收峰带 ▪
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▪ (2)简正振动的基本类型
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▪ 电磁波与物质的作用: E=hν =hc/λ 电磁波的产生与两个能态上粒子的跃迁 有关。
▪ 在不同能量电磁波作用下, 物质的不同 状态将出现共振吸收( Resonance), 形 成共振谱。
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▪ 在不同能量电磁波作用下, 物质的不 同状态将出现共振吸收( Resonance), 形成共振谱。
K M
M = m1 m2 m1 + m2
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式中: v~ 为振动波数;
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K为化学键的键力常数(达因/厘米);
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C为光速;
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M为两原子的折合质量(克);
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m1 m2为两个原子的质量
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▪ 2、多原子分子振动模型
▪ (1)简正振动 ▪ 多原子分子的振动是复杂的,但可以把它们的振动分
解成许多简单的基本振动单元,这些基本振动 称为简正振动。 简正振动具有以下特点:
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▪ (3)简正振动的数目
▪ 简正振动的数目称为振动自由度。每个 振动自由度对应于IR谱图上的一个基频吸收 带。 分子的总自由度取决于构成分子的原 子在空间中的位置。每个原子空间位置可以 用直角坐 标系中x、y、z三个坐标表示,即 有三个自由度。显然,由n个原子组成的分 子,具有3n个总 自由度,即有3n种运动状 态,而3n种运动状态包括了分子的振动、 平动和转动。
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物质的能量状态与对应的共振谱
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▪ 四、分子振动模型
▪ 1、双原子分子振动模型
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双原子分子是很简单的分子,其振动形式是很简单的,
如 HCl分子,它只有一种 振动形式,即伸缩振动。双原子分 子的振动可以近似地看作为简谐振动,由经典力学的HOOK
定律可以推导出该体系的 振动频率公式:
v~
= —1—
2C
1) 振动的运动状态可以用空间自由度(坐标)来表示,体系 中的每一质点具有XYZ三个自由度; 2)振动过程中,分子质心保持不变,分子整体不转动; 3) 每个原子都在其平衡位置上作简谐振动,各原子的振动频 率及位相相同,即各原子在同一时间通过其平衡位置,又在同 一时间达到最大的振动位移; 4)分子中任何一个复杂振动都可以看成这些简正振动的线性 组合。