分子振动

振动的类型

如果分子有两个以上的原子，事情就会变得更加复杂。假设只增加一个原子，那么现在就有三个原子了，比如在水里，H₂ O，其中两个氢原子都连接到中心的氧原子上。请记住，在氢气中只有一种拉伸，但在水里有两种拉伸和另外四种称为弯曲振动的振动，如下所示。

CH₂ 组或像水这样的分子中的原子可以以六种不同的方式振动：对称和不对称的拉伸、剪刀、摇晃、摇摆和扭曲。

对称拉伸：当两个相连的原子同时移开和移向中心原子时。

反对称拉伸：当两个相连的原子不同时远离和走向中心原子时。

剪切。就像名字所说的那样，剪断是指两个原子互相远离和接近。

摇晃。这种运动就像时钟上的钟摆在来回走动，只是这里的原子是钟摆，有两个而不是一个。

摇摆。如果一个人把他们的手举到面前，把他们的两个手指摆成一个 "V "字形，并把他们的手腕朝向和离开他们。在这里，手指的尖端是连接的原子，手腕是中心原子。

扭动。这种运动就像一个人在跑步机上行走，他们的腰部是中心原子，他们的脚是两个相连的原子。

具有三个以上原子的分子

有三个以上原子的分子甚至更加复杂，有更多的振动，有时被称为 "振动模式"。每一种新的振动模式基本上都是上面所示的六种振动模式的不同组合。分子中的原子越多，它们可以组合的方式就越多。对于大多数有N个原子的分子来说，该分子可能的振动数目是3N-6，而线性分子，或者那些原子在一条直线上的分子，有3N-5种振动模式。

能量与振动的关系

牛顿力学

使用牛顿力学，分子的振动可以通过将键像弹簧一样处理来计算。这是很有用的，因为像弹簧一样，一个键需要能量来拉伸它，同时也需要能量来挤压它。拉伸或挤压化学键所需的能量取决于化学键的硬度（用弹簧常数k表示），以及连接在两端的两个原子的质量减少或 "质心"，用μ表示。用来联系引起键的振动所需能量的公式是：。

  E = h ν = h 2 π k μ 。{displaystyle }E=h\nu ={h\over {2\pi }{\sqrt {k\over \mu }}.\!}

h：是普朗克常数

ν：是频率，代表纽带被挤压在一起并再次拉开的速度。ν越大，这个速度就越快。

Ε：是推拉结合体所需的能量。

μ:减少的质量是两个原子的质量相乘，除以它们的加数。

μ = m 1 m 2 m 1 + m 2 。{displaystyle {mu ={m_{1}m_{2}}。\覆盖m_{1}+m_{2}}.\!}

量子力学

使用量子力学，描述弹簧的公式与牛顿力学版本完全相同，只是只允许某些能量或能级。把能量水平想象成梯子上的台阶，一个人一次只能上或下一个梯子。就像那个人不能站在梯级之间的空间上一样，纽带也不能有能量级别之间的能量。这个新的公式成为。

E n = h ν = h ( n + 1 2 ) 1 2 π k m {\displaystyle E_{n}=h\nu =h\left(n+{1\over 2}\right){1\over {2\pi }{sqrt {k\over m}\!},

其中n是一个量子数或 "能级"，可以取值为0、1、2......。能级一次只能上升或下降一个级别的说法被称为选择规则，它指出，能级之间唯一允许的过渡是。

Δ n = ± 1 {displaystyle \Delta n=pm 1}。

其中，Delta n是能量转换。

振动运动的应用

当某一频率的光照射到具有振动的分子上，其运动对应于相同的频率，那么光就会被分子吸收，来自光的能量导致键以该特定的振动运动移动。通过检查被吸收的光，科学家可以知道是否存在某种分子键，并将其与具有该键的分子列表相匹配。

然而，一些分子，如氦和氩，只有一个原子，没有任何键。这意味着它们不会像拥有一个以上原子的分子那样吸收任何光线。

在化学研究中使用分子振动的具体领域包括红外光谱（IR）和拉曼光谱（Raman），其中红外光谱的应用更为广泛，并有自己的三个子领域。这些子领域被称为近红外、中红外和远红外光谱学。以下是这些领域的一般清单和现实世界的应用

近红外：定量测定物种，如蛋白质、脂肪、低低分子量的碳氢化合物和水。在农产品、食品、石油和化学工业中得到进一步使用

中红外：是最受欢迎的红外领域，用于确定有机和生化化合物的结构。

远红外：这个领域不太受欢迎，尽管它在无机物研究中找到了用途。

拉曼。用于无机、有机和生物系统的定性和定量研究，通常作为红外的补充技术。