ارتعاش مولکولی

ارتعاش مولکولی ( به انگلیسی: Molecular vibrations ) هنگامی رخ می دهد که اتم ها در یک مولکول در حرکت دوره ای باشند. در حالی که به طور کلی مولکول ها دارای حرکت ثابت و حرکت چرخشی هستند. فرکانس حرکت دوره ای به عنوان فرکانس ارتعاش شناخته می شود. فرکانس های معمولی از لرزش های مولکولی از 1013 تا 1014 Hz متفاوت است که مربوط به طول موج حدود ۳۰۰ تا ۳۰۰۰ سانتی متر است. به طور کلی یک مولکول با N اتم دارای 3N - ۶ حالت طبیعی ارتعاش است، اما یک مولکول خطی دارای 3N - ۵ حالت ارتعاش است. ( زیرا چرخش در محور مولکولی آن مشاهده نمی شود ) یک مولکول دو اتمی دارای یک حالت عادی ارتعاش است. ارتعاشات مولکولی هنگامی رخ می دهد که پیوندهای درون یک مولکول و اتم ها آن شروع به ارتعاش کنند و این اتفاقات با جذب انرژی توسط مولکول انجام می شود. ارتعاشات مولکول های قطبی و ناقطبی متفاوت است. حالت های عادی ارتعاش مولکول های قطبی مستقل از یک دیگر هستند، اما هر حالت عادی شامل ارتعاشات همزمان از قسمت های مختلف مولکول ( مانند پیوندهای شیمیایی مختلف ) است. انرژی جذب شده به صورت کوانتومی می باشد، در نتیجه هنگامی که مولکول یک کوانتومانرژی ( E ) را جذب کند، ارتعاش مولکولی رخ می دهد. E باتوجه به فرکانس لرزش، v، و رابطه پلانک E=hv ( در این جا h، ثابت پلانک ) محاسبه می شود. یک ارتعاش به هنگام جذب انرژی توسط مولکول درحالت پایه اتفاق می افتد. ( به حالت پاییه توجه شود ) . وقتی پیوند دو کوانتوم انرژی جذب می کند، صوت اول پیوند تحریک می شود و به همین ترتیب صوت های بالاتری تحریک می شوند. تقریباً، حرکت ارتعاشی عادی را می توان به صورت حرکت نوسانگر هماهنگ ساده در نظر گرفت. در این تقریب، معادله انرژی ارتعاشی به صورت یک تابع درجه دوم است. اما در واقعیت این حرکت مانند حرکت نوسانگر هماهنگ ساده نیست و صوت اول این حرکت، فرکانسش کمی کمتر از دو برابر فرکانس اساسی است.
برای یک مولکول با N اتم، موقعیت تمام اتم ها به مجموع 3N مختصات بستگی دارد، به طوری که مولکول دارای 3N درجه آزادی ( از جمله حرکت انتقالی، حرکت چرخشی و حرکت ارتعاشی ) است. به این معنی که مرکز جرم دردستگاه مختصات دکارتی سه جهت برای حرکت دارد. هر مولکول غیر خطی، می تواند حول هر کدام از محور هایدستگاه مختصات دکارتی بچرخد، بنابراین دارای ۳ درجه آزادی چرخشی است. برای مولکول های خطی، در محور مولکول حرکت چرخشی شامل حرکت هسته ها نمی شود، بنابراین فقط دو درجه آزادی وجود دارد که می تواند مختصات اتمی را تغییر بدهد. یک معنای دیگ از چرخش مولکول های خطی را می توان به این صورت بیان کرد که چرخش یک مولکول خطی زمانی رخ می دهد که جهت محور مولکولی درفضای سه بعدی تغییر پیدا کند. چرخش جهت محور مولکول باعث تغییر در هسته اتم ها نمی شود، به همین دلیل دو محور چرخش برای مولکول در حال خطی داریم. در نتیجه تعداد حالت های ارتعاشی برابر 3N منهای تعداد حالت های آزاد چرخشی می شود. برای مولکول های خطی برابر 3N - ۵ و برای مولکول های غیر خطی برابر 3N - ۶ می شود. مختصات ارتعاشی مختصات یک ارتعاش طبیعی، ترکیبی از تغییر موقعیت اتم ها در مولکول است. هنگامی که ارتعاش اتفاق می افتد، اتم ها به صورت سینوسی با فرکانس v شروع به حرکت می کنند.