武汉工程大学：《无机非金属材料测试方法 Inorganic Nonmetal Material Testing Techniques》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 振动光谱 Vibrational Spectroscopy（IR & Raman Spectra）

第四章 振动光谱 Vibrational Spectroscopy (IR raman spectra)

第四章 振动光谱 Vibrational Spectroscopy (IR & Raman Spectra)

令第一节振动光谱的基本原理 第二节红外光和红外光谱 今第三节红外光谱的应用 令第四节拉曼光谱

❖ 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

第一节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 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

❖第一节 振动光谱的基本原理 ❖ 一、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。 ❖

令电磁波与物质的作用: E=hy=hc/n 电磁波的产生与两个能态上粒子的跃迁有关。 令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

❖ 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

予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。 激发态 辐射电磁波 吸收电磁波 基态

❖ 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

物质的能量状态与对应的共振谱 状态 电磁波 入 对应光谱 核能级 (0.01nm) Mossbauer谱 电子K、L层 0.1nm X-射线谱(XPS) 原子的次外电子UV,V 10nm 紫外-可见(UV)谱 层,晶体场分裂 分子振动 R 500nm 红外(R), Raman谱 电子自旋亚能级 Micro-wave 100um 电子自旋共振(EPR) 核自旋 Radio 10cm 核磁共振(NMR)谱

物质的能量状态与对应的共振谱 状态 电磁波 λ 对应光谱 核能级 γ 〈0.01nm) Mossbauer谱 电子K、L层 X 0.1nm X-射线谱（XPS） 原子的次外电子 层，晶体场分裂 UV，V 10nm 紫外-可见（UV-V）谱 分子振动 IR， 500nm 红外（IR），Raman谱 电子自旋亚能级 Micro-wave 100um 电子自旋共振（EPR） 核自旋 Radio 10cm 核磁共振（NMR）谱

分子振动模型 、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HC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: K m n V 2IC N M m+ m 式中:V为振动波数 K为化学键的键力常数(达因/厘米); C为光速; M为两原子的折合质量(克); m1m2为两个原子的质量

❖ 二、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： ❖ 式中： v~ 为振动波数； ❖ K为化学键的键力常数（达因/厘米）； ❖ C为光速； ❖ M为两原子的折合质量（克）； ❖ m1 m2为两个原子的质量 = —— 2C K M ~ 1 v m1 m2 m1 + m2 M =

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

❖ 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

令(2)简正振动的基本类型 对称伸缩振动(v表示) 伸缩振动 键长变化) 非对称伸缩振动(Vas表示) 振动类型 剪式振动(δ表示) 面内 平面摇摆振动(p表示) 弯曲振动 键角变化 非平面摇摆振动(Q表示) 面外 扭曲振动(τ表示)

❖ （2）简正振动的基本类型

4(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R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

❖ （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