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紅外吸收光譜的基本原理
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天津市能譜科技有限公司

時(shí)間: 2018-12-29 瀏覽量: 2454

一、紅外吸收光譜的產(chǎn)生

當(dāng)用紅外線去照射樣品時(shí),此輻射不足以引起分子中電子能級的躍遷,但可以被分子吸收引起振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級的躍遷。在紅外光譜區(qū)實(shí)際所測得的譜圖是分子的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的加和表現(xiàn),故紅外光譜亦稱為振轉(zhuǎn)光譜。按紅外線波長不同,往往將紅外吸收光譜劃分為三個(gè)區(qū)域,如表1所示。


表1 紅外區(qū)的劃分

區(qū)域σ/cm—1ν/μm能級躍遷類型
近紅外區(qū)13300~40000.75~2.5分子化學(xué)鍵振動(dòng)的倍頻和組合頻
中紅外區(qū)4000~4002.5~2.5化學(xué)鍵振動(dòng)的基頻
遠(yuǎn)紅外區(qū)400~1025~1000骨架振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)

紅外吸收光譜的基本原理

物質(zhì)的分子吸收紅外光發(fā)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級躍遷,必須滿足以下兩個(gè)條件:①紅外輻射光量子具有的能量等于分子振動(dòng)能級能量差△B;②分子振動(dòng)時(shí)必須伴隨偶極矩的變化,具有偶極矩變化的分子振動(dòng)是紅外活性振動(dòng),否則為非紅外活性振動(dòng)。


由經(jīng)典力學(xué)或量子力學(xué)均可推出雙原子分子振動(dòng)頻率(Hz)的計(jì)算公式為:


WechatIMG183.jpeg

用波數(shù)(cm—1)作單位時(shí):

WechatIMG184.jpeg


式中    k一鍵的力常數(shù),dyn/cm;

           μ一折合質(zhì)量(,m1和m2分別為兩個(gè)原子的質(zhì)量),g;

           c一光速


若力常數(shù)k單位用N/cm,折合質(zhì)量μ采用原子質(zhì)量單位m=1.65×10—24g,上式可簡化為


WechatIMG185.jpeg

表1給出了部分化學(xué)鍵的伸縮振動(dòng)力常數(shù),表中的力常數(shù)除已注明者外,都是由簡譜振動(dòng)頻率推算出來的。


表1 化學(xué)鍵的伸縮振動(dòng)力常數(shù)

WechatIMG188.jpeg



二、簡正振動(dòng)和振動(dòng)類型

(一)簡正振動(dòng)

描述分子振動(dòng)狀態(tài)的自由度有3n-6個(gè),線形分子有3n-5個(gè),即分子有3n-6或3n-5個(gè)簡正振動(dòng)方式,n為分子中的原子數(shù)。


所謂簡正振動(dòng)是指這樣一種振動(dòng)狀態(tài):分子質(zhì)心保持不變,整體不轉(zhuǎn)動(dòng),每個(gè)原子都在其平衡位置附近作簡諧振動(dòng),其振動(dòng)頻率和位相都相同,只是振幅可能不同,即每個(gè)原子都在同一瞬間通過其平衡位置,而且同時(shí)到達(dá)其最大位移值。每一個(gè)簡正振動(dòng)都有一定的頻率,稱為基頻。分子中任何一個(gè)復(fù)雜振動(dòng)都可以看成是不同頻率的簡正振動(dòng)的疊加。水分子和二氧化碳分子的簡正振動(dòng)模式,如圖1所示。


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圖1 水分子與二氧化碳分子的簡正振動(dòng)模式



每種簡正振動(dòng)都有其特定的振動(dòng)頻率,但紅外光譜中基頻譜帶的數(shù)目常小于振動(dòng)自由度,其原因有:①簡并,不同振動(dòng)類型有相同的振動(dòng)頻率;②非紅外活性振動(dòng);③由于儀器分辨率低,靈敏度不夠,測量波長范圍窄。


紅外光譜的吸收峰除基頻峰外,還有倍峰和組合頻峰。倍頻峰是由基態(tài)(v=-0)躍遷到v=2,3…激發(fā)態(tài)引起的,一般一級倍頻峰(v=2)的強(qiáng)度僅是基頻峰的1/10~1/100。組合頻峰是在兩個(gè)以上基頻峰波數(shù)之和(σ12+…)或差(σ1—σ2…)處出現(xiàn)的吸收峰,吸收強(qiáng)度比基頻峰弱得多。

紅外吸收光譜的基本原理


(二)紅外光譜中振動(dòng)類型及其表示符號

為了更直觀地描述分子振動(dòng),可采用化學(xué)鍵鍵長或鍵角的改變來表示,并引入對稱的概念。分子的振動(dòng)類型可分為兩大類:伸縮振動(dòng),是指原子沿鍵軸方向伸縮,鍵長發(fā)生變化而鍵角不變的振動(dòng);變形振動(dòng)(又稱彎曲振動(dòng)或變角振動(dòng)),是指原子與鍵軸成垂直方向,鍵角發(fā)生周期變化而鍵長不變的振動(dòng)。各種振動(dòng)形式的中、英文名稱和符號,如表2所示。


表2 各種振動(dòng)形式的中、英文名稱和符號

振動(dòng)類型
英文名稱符號
伸縮振動(dòng)stretching vibrationν
     對稱伸縮類型   symmetrical stretching vibrationνs
     不(或反)對稱伸縮類型   asymmetrical stretching vibrationνas
變動(dòng)振動(dòng)(或彎曲振動(dòng))deformation vibration (bending vibration)δ
     對稱變形振動(dòng)    symmetrical deformation vibrationδs
     不(或反)對稱變形振動(dòng)    asymmetrical deformation vibrationδas
     面內(nèi)彎曲振動(dòng)    in-plane bending vibrationβ
     面外彎曲振動(dòng)    out-of-plane bending vibrationγ
     卷曲振動(dòng)    twisting vibrationτ
     平面搖擺振動(dòng)    rocking vibrationρ
     非平面搖擺振動(dòng)    wagging vibrationω


伸縮振動(dòng)和變形振動(dòng)方式,如圖2所示

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圖2 伸縮振動(dòng)和變形(彎曲)振動(dòng)

+ 代表由紙面向外;— 代表由紙面向內(nèi)



三、振動(dòng)頻率理論和振動(dòng)譜帶強(qiáng)度理論簡介

以 Wilson為代表,發(fā)展了振動(dòng)頻率理論一一簡正坐標(biāo)分析。該方法的第一步是必須根據(jù)振動(dòng)光譜的選律求出全部的振動(dòng)基頻在對稱類中的分類,即求出每一種振動(dòng)類型的基頻數(shù)。第二步是選取坐標(biāo)系建立分子的動(dòng)能矩陣G,常用的坐標(biāo)系是笛卡爾位移坐標(biāo)系、內(nèi)坐標(biāo)系和對稱坐標(biāo)系,在建立對稱坐標(biāo)系時(shí)可以采用 Wilson方法(經(jīng)驗(yàn)法)、 Woodward法(正交歸法)或 Califano法。簡正坐標(biāo)分析的第三步是選取力場建立F矩陣(勢能矩陣)。選取的力場有簡單鍵力場(SF),簡化廣義鍵力場( SGVFF)、廣義鍵力場(GVF)、中心鍵力場(CFF)、島內(nèi)-Urey- Bradleyカ場( SUBFF)和改良的SUB力場( MSUBFF)等,其中SUBF的力常數(shù)具有一定的互換性,其物理意義明確,被廣泛應(yīng)用。當(dāng)求出分子振動(dòng)的G矩陣和F矩陣后即可列出久期方程GF-=0,解久期方程即可求出本征值入(振動(dòng)頻率)和本征矢量(振動(dòng)振幅),最后根據(jù)勢能分布可以求出振動(dòng)的歸屬。簡正坐標(biāo)分析的計(jì)算機(jī)程序相繼問世,最早的由 Schachtschneider在1964年提出,其后是 Shimanouchi的研究,直至1976年拿大國家研究委員會(huì) Fuhrer等發(fā)表了一個(gè)分子振動(dòng)分析的軟件包,使簡正坐標(biāo)分析為有機(jī)化學(xué)工作者所用。我國石油化工科學(xué)研究院王宗明等對此軟件包進(jìn)行了兩次開發(fā),使之可用于微型計(jì)算機(jī),該程序已被國內(nèi)一些研究單位和高校采用。

iCAN 9傅立葉變換紅外光譜儀自主研發(fā)設(shè)計(jì)的智能人機(jī)交互,配備獨(dú)特光源休眠模式,分腔式一體設(shè)計(jì),干涉儀和接收器等部件單獨(dú)防潮,獨(dú)特配置濕度軟件自動(dòng)數(shù)字顯示裝置,系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化功能。 軟件實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,保證儀器始終處于優(yōu)良工作狀態(tài),測試譜圖更準(zhǔn)確可靠。

理論把光譜譜帶的強(qiáng)度與分子中價(jià)鍵的特性相關(guān)聯(lián),能夠給出鍵矩、鍵極化率以及這些量在分子振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的變化,并可預(yù)示光譜譜帶的強(qiáng)度分布。該理論選用電光學(xué)參數(shù)來表示偶極矩對簡正坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)。由 Gribov等發(fā)展的光學(xué)光譜軟件包可用簡正坐標(biāo)方法和強(qiáng)度的光-電參數(shù)法處理紅外和拉曼光譜數(shù)據(jù),給出計(jì)算頻率、勢能分布、振動(dòng)歸屬以及分子鍵矩和鍵極化率張量對簡正振動(dòng)坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù),生成分子碎片庫數(shù)據(jù),也能用來解反向電光學(xué)參數(shù)問題,以及用于生成預(yù)示光譜圖。

能譜科技作為國內(nèi)先進(jìn)的紅外光譜儀制造商,生產(chǎn)的iCAN9傅立葉紅外光譜儀具有先進(jìn)的紅外光源系統(tǒng)、穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)、高性能的電子系統(tǒng)、人性化的操作系統(tǒng)、極強(qiáng)的防潮處理、豐富的擴(kuò)展性等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、高校、環(huán)保等領(lǐng)域,得到了廣大用戶的好評。使用iCAN9傅里葉變換紅外光譜儀,搭載自主研發(fā)的ATR附件,輕松滿足企業(yè)檢測要求,我們的產(chǎn)品可以成為企業(yè)實(shí)驗(yàn)室的得力幫手。



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