振动光谱

第四章振动光谱一、教学目的理解掌握震动光谱分析的基本理论，掌握红外光谱图的分析处理，了解红外光谱实验技术。

二、重点、难点重点：震动光谱分析的基本理论，红外光谱图的分析处理。

难点：震动光谱分析的基本理论。

三、教学手段多媒体教学四、学时分配4学时引言：●1900～1910年间，科布伦茨（W．W．C。

blentz）首先用红外光测量了一些有机物液体的吸收光谱而建立起一种新的分析方法——红外光谱法。

他发现分子中的一定原子群可以吸收特定的频率，这些特定的频率犹如人类的指纹，可以用来辨认分子中特定原子群的存在。

●它主要可以用作分子结构的基础研究和物质化学组成（物相）的分析（包括定性和定量）。

红外光谱法作分子结构的研究可以测定分子的键长、键角大小，并推断分子的立体构型，或根据所得的力常数，间接得知化学键的强弱，也可以从正则振动频率来计算热力学函数等。

●不过红外光谱法更多的用途是根据谱的吸收频率的位置和形状来判定本知物，并按其吸收的强度来测定它们的含量。

因此红外光谱法在目前已成为十分方便而有效的分析方法之一。

●红外光谱法应用得较多的是在有机化学领域，对无机化合物和矿物的红外鉴定开始较晚。

红外光谱法对测定矿物的结构或组分虽不如X射线衍射分析那么成熟，却也有其独特长处。

所谓振动光谱是指物质因受光的作用，引起分子或原子基团的振动，从而产生对光的吸收。

如果将透过物质的光辐射用单色器加以色散，使波长授长短依次排列，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波，即0.78～1000μm，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。

本章主要介绍红外光谱的原理及其在无机非金属材料中的应用，对拉曼光谱只作简单的介绍。

红外光谱法就逐渐形成了一个极其有效而广泛的分析方法。

它主要可以用作分子结构的基础研究和物质化学组成（物相）的分（包括定性和定量）。

红外光谱法作分子结构研究可以测定分子的键长、键角大小，并推断分子的立体构型，或根据所得的力常数，间接得知化学键的强弱，也可以从正则振动频率来计算热力学函数等。

1振动光谱的基本原理●定义及分类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。

●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0.78-1000µm，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。

2电磁波与物质相互作用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。

3分子振动模型●1、双原子分子振动模型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：●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：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。

●（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。

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 - 54物质因受红外光的作用，引起分子或原子基团的振动（热振动），从而产生对红外光的吸收。

第四章振动光谱当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射分子吸收了某些频率的辐射，，其振动或转动运动引起偶极矩发生变化转动运动引起偶极矩发生变化。

由于分子的振动能量比转动能量大由于分子的振动能量比转动能量大，，当发生振动能级跃迁时发生振动能级跃迁时，，不可避免地伴随有转动能级的跃迁动能级的跃迁，，只能得到分子的振动只能得到分子的振动--转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱这种光谱称为红外吸收光谱。

案例1500100015002000250030003500400001020304050607080T r a n s m i t i v i t y -1图4-1 灼烧前Nd:YAG前驱体的红外光谱图案例2500100025003000350040002030405060708090100T r a n s m i t t i v i t y 图4-2灼烧后Nd:YAG前驱体的红外光谱图第一节振动光谱的基本原理1.1.光的二重性光的二重性普朗克公式普朗克公式：：E ＝h ν一、光与分子的相互作用波数即波长的倒数波数即波长的倒数，，表示单位(cm)长度光中所含光波的数目长度光中所含光波的数目。

波长或波数可以按下式互换波长或波数可以按下式互换：：( cm -1)=1/λ(cm)=104/λ(μm)在2.5μm 处，对应的波数值为对应的波数值为：：= 104/2.5 (cm -1)=4000cm -1ν_ν_（式4-1）图4-1能级跃迁示意图△E 1＝E 2-E 1=h ν1△E 2＝E 3-E 1=h ν22.2.原子或分子的能量组成原子或分子的能量组成分子的运动可分为移动分子的运动可分为移动、、转动转动、、振动和分子内的电子运动运动。

而每种运动状态又都属于一定的能级属于一定的能级。

分子总能量E ＝E 0＋E t ＋E r ＋E v ＋E e 图4-2双原子分子能级示意图（式4-3）红外光谱法的特点紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机化合物，特别是具有共轭体系的有机化合物；红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉曼变化的化合物光谱中出现）。

分子振动光谱方法的理论研究光谱学是一门在化学、物理、生物等领域均有广泛应用的学科，其研究对象是各种物质与电磁波相互作用产生的光谱现象。

其中，分子振动光谱是一种非常重要的光谱方法，能够研究分子中不同原子或基团的振动情况，为研究分子结构、反应机理等提供了有力的手段。

本文将介绍分子振动光谱方法的理论研究，包括其基本原理、相关理论模型及其应用。

一、分子振动光谱的基本原理对于一个由N个原子组成的分子，其振动可以分解为三个自由度：平动、转动及振动。

平动和转动分别是三维空间内的自由度，可以通过其他方法研究。

而分子振动是分子内部原子的相对位置和对于共振势能面的变化，是分子研究中的重要内容。

分子振动包括拉伸、弯曲、扭转等不同类型。

拉伸振动指同一个原子相对于其他原子的位置发生改变；弯曲振动是分子中不同原子之间的角度变化；扭转振动是分子中不同原子相对于位于共振势能面上的一些原子的相对位置变化。

振动的频率取决于原子间键合的强度和势能曲面的形状。

一个简单的分子可以视为连接多个原子的弹簧，其不同振动模式的频率即为不同弹簧的固有频率。

当分子通过吸收一定能量的电磁辐射后，分子的振动会被激发到高能态，此时分子会发生振动波长对应的光谱吸收现象。

这种光谱现象即为分子振动光谱。

二、分子振动光谱的相关理论模型在分子振动光谱方法的研究中，有多种理论模型可供选择。

其中，最为常用的如下：1. 简谐振动模型：这种模型假设分子的振动是在势能曲面的最小值处的小范围内实现，即为简谐振动。

能量与振幅呈二次函数关系。

简谐振动的模型参数可以通过实验或量子化学计算得出。

2. 傅立叶变换红外光谱学：傅立叶变换红外光谱学即为广泛应用的一种红外光谱研究手段。

傅立叶变换光谱法可以根据吸收峰的形状和位置解析某原子间键的类型和结构。

3. Raman光谱学：这种光谱学方法可以通过散射光谱对特定分子间键的信息进行研究。

其中，同种元素之间的键能够通过与散射激光交互来传递能量并引起激光播散，这一过程被称为拉曼散射。

振动光谱技术在分子结构分析中的应用研究振动光谱技术是一种通过吸收、散射、发射光谱等方式，对分子中的振动、转动、电子结构等进行表征和分析的方法。

振动光谱技术在化学、生物、物理、材料等领域都有着广泛的应用。

其中，红外光谱和拉曼光谱是两种常见的振动光谱技术。

红外光谱技术红外光谱技术是最早应用于分子结构分析的振动光谱技术。

它利用分子中原子、分子基团等之间的振动相互作用，分析分子中化学键类型、取代基位置、分子构象及其变化等信息。

在红外光谱中，不同的振动模式对应着不同的峰位和强度，吸收峰的波数和强度可以通过傅里叶变换等计算方法转化为光谱图。

根据吸收峰位和光谱图特征，可以推断化学键类型、位置和官能团等信息。

红外光谱的优点是技术成熟、可靠性高、可测量样品种类广泛，适用于多种分子结构分析。

其缺点是在分析某些取代基、环境场等时存在困难，并且在分析复杂的生物大分子结构时准确性不高。

拉曼光谱技术与红外光谱相比，拉曼光谱是一种非破坏性、无需样品处理的技术，可以对不同材料的表面、薄膜、生物组织等进行研究。

其对样品的激发条件较宽松，对样品厚度、成分等变化具有较高的灵敏度。

拉曼光谱中，样品吸收光的频率与样品分子内的振动频率一致，会导致光子的散射。

散射光中与激发光频率相同的光子称为“受激光子”，与激发光频率有不同的光子称为“散射光子”，受激光子的频率与样品的振动频率相同，可用于分析分子的振动信息。

拉曼光谱可以通过测量散射光子频率和强度来得到光谱图，并推断分子中的化学键类型、结构、分子构象等信息。

它的优点是技术成熟、对不同样品依赖性小、无需样品处理、对大分子结构分析准确性高等。

其缺点是信噪比相对较低，需要较长时间的数据积累。

综合分析合理地应用红外光谱和拉曼光谱技术，可以有效地解决不同分子结构的分析问题。

在分析分子中化学键、官能团、结构、构象等信息时，应首先根据样品的种类、资料和分析要求选择适当的振动光谱技术。

同时，振动光谱技术的应用需要高质量的仪器设备、标准样品和专业技能。

振动光谱学的原理和应用振动光谱学是一种用于研究分子结构和因此引起的分子振动的技术。

振动光谱学被广泛应用于许多不同的领域，包括化学，物理学，生物学，地球科学和工程学等等。

本文将介绍振动光谱学的原理和一些常见的应用。

振动光谱学的原理振动光谱学基于分子中原子的相对位置和运动之间的关系。

当分子振动时，原子之间的距离和角度会发生改变，这样就会产生不同种类的振动模式。

根据振动模式的不同，可以将振动分为伸缩振动和弯曲振动。

振动光谱学主要有两种类型：红外光谱学和拉曼光谱学。

红外光谱学利用红外辐射的吸收来识别分子中的振动模式，而拉曼光谱学则利用拉曼散射来识别分子中的振动模式。

在红外光谱学中，物质中的化学键在特定的波长处会吸收辐射。

每个振动模式的吸收峰都会出现在不同的波长区间。

鉴别物质中的特定元素或化学键所吸收的红外辐射带的位置和形状，可以使用红外光谱。

拉曼光谱学则利用物质分子中的分子振动引起的分子极化作用所导致的散射光。

相对于红外光谱，拉曼光谱具有更高的分辨率和更精确的定量分析能力，因此在化学、生物学和材料科学等领域广泛应用。

振动光谱学的应用振动光谱学广泛应用于分析物质的分子结构，确定分析物质的分子成分以及分析分子间的相互作用力等。

以下是振动光谱学应用的一些实例：1. 化学结构确定振动光谱学技术可用于化学结构的确定。

利用红外光谱或拉曼光谱，可以识别物质中的化学键、官能团及其位置等信息。

通过综合分析标准谱图，可以进一步确定物质的化学结构，因此在化学分析领域得到了广泛的应用。

2. 生物化学分析对于生物大分子，如蛋白质和DNA等，振动光谱学可以用于研究它们的结构和动力学。

拉曼光谱法也可以用于细胞生物学研究中。

例如，可以用拉曼光谱对细胞中的脂质、蛋白质、核酸等大分子进行非破坏性检测。

3. 物质检测振动光谱学的另一个常见应用是在非常低浓度下检测物质。

这种方法利用物质分子与振动光子之间的相互作用，准确测定分子在样品中的存在量。

振动光谱分析技术的进展和应用振动光谱是一种分析化学物质结构的重要手段，也是物质科学研究的重要工具。

自20世纪初开始，振动光谱分析技术得到了快速发展，并广泛应用于医药、能源、材料、环保、生命科学等领域，成为研究各种化学物质行为和性质的重要手段之一。

本文将阐述振动光谱分析技术的进展和应用，介绍振动光谱分析技术的原理、发展、研究和应用，以及未来的发展方向。

一、振动光谱分析技术概述振动光谱是利用物质颗粒在振动时吸收、发射或散射光线的现象，研究分子内部结构和物质性质的科学手段。

根据分子的振动模式，可以分析物质的组成、结构和性质等信息。

振动光谱分析技术主要包括红外光谱、拉曼光谱、共振拉曼光谱等。

红外光谱是利用物质分子吸收红外光的振动能量，研究物质的分子结构和分子之间的相互作用等信息的一种手段。

拉曼光谱是利用物质散射入射光而产生非弹性散射的现象，分析分子的振动模式和分子之间的相互作用等信息。

共振拉曼光谱是拉曼光谱的升级版，利用共振激发拉曼散射现象，提高了信噪比和灵敏度，能够分析更加复杂的分子体系。

二、振动光谱分析技术的发展振动光谱分析技术发展历程可以分为三个时期：早期，主要以仪器和方法的发展为主；中期，主要以技术理论的完善为主；现代，主要以应用研究的拓展为主。

早期振动光谱分析技术主要发展于20世纪初，甚至可以追溯到19世纪末。

最早的振动光谱分析技术是基于吸收原理的红外光谱技术，由德国科学家弗兰克（Theodor Frank）和霍夫曼（Arthur Hoffmann）于1901年发现。

在此之后，又陆续发现了许多新的光谱学方法，如拉曼光谱、近红外光谱和共振拉曼光谱等。

到了20世纪60年代，振动光谱由于在分子结构和物质性质研究中的重要地位逐渐被广泛认识。

中期的发展重点是对振动光谱分析技术理论的完善。

20世纪60年代，分子振动的量子力学和光谱学理论受到了广泛的重视和研究。

在此基础上，出现了许多对科学家学者有极大启示和影响的新理论和模型。