1.2 Cơ sở quang học phi tuyến bậc hai
1.2.6 Quang phổ học dao động hồng ngoại
Một phân tử được hình thành bởi các nguyên tử liên kết với nhau. Dao động của một phân tử xảy ra khi các nguyên tử trong một phân tử chuyển động tuần hồn, khi đó phân tử đó có chuyển động dịch chuyển hồng ngoại và chuyển động quay. Tần số của chuyển động tuần hồn chính là tần số dao động, và các tần số chủ yếu của các dao động của phân tử có phạm vi từ nhỏ hơn 1012 đến xấp xỉ 1014. Tần số dao động phụ thuộc vào số lượng các hạt nhân và các lực liên kết.
Một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên của một phần phân tử (tức là các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) dao động cùng tần số với bức xạ tới và khi sự hấp thụ đó gây nên sự biến thiên mô men lưỡng cực của chúng. Một phân tử có lưỡng cực điện khi ở nguyên tử thành phần của nó có điện tích âm và dương rõ rệt. Khi phân tử lưỡng cực được giữ trong một điện trường, điện trường đó sẽ tác dụng các lực lên các điện tích trong phân tử. Vì điện trường của bức xạ hồng ngoại làm thay đổi độ phân cực của chúng
một cách tuần hoàn, nên khoảng cách giữa các nguyên tử tích điện của phân tử cũng thay đổi một cách tuần hồn.
Mơ men lưỡng cực µ thay đổi giữa các mức năng lượng và điều kiện cần thiết để sự kích thích xảy ra là mô men lưỡng cực thay đổi khi khoảng cách giữa các nguyên tử dao động thay đổi dọc theo trục tọa độ Q. Từ đó ta có quy luật chọn lọc đối với dao động hoạt động hồng ngoại:
0 Q (1.36)
Chuyển động dao động của phân tử nhiều nguyên tử rất phức tạp. Để đơn giản, người ta thường phân một chuyển động phức tạp thành một số hữu hạn các dao động đơn giản hơn gọi là dao động riêng. Các dao động riêng của phân tử có thể được kích thích bởi các bức xạ điện từ một cách chọn lọc, đối với các phân tử có mơ men lưỡng cực μ thì chỉ những dao động nào làm thay đổi mơ men lưỡng cực này mới bị kích thích bức xạ hồng ngoại.
Dao động của phân tử gồm hai nguyên tử là dao động kéo giãn dọc theo trục liên kết của hai nguyên tử, gọi là dao động kéo dãn (stretching) hay dao động hóa trị. Kết quả của dao động này làm thay đổi độ dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử. Ở phân tử có 3 ngun tử trở lên, ngồi dao động kéo dãn làm thay đổi độ dài liên kết cịn có loại dao động có thể làm thay đổi góc giữa liên kết được gọi là dao động biến dạng. Người ta còn phân biệt dao động kéo giãn đối xứng νss (khi 2 liên kết cùng dài ra hoặc cùng ngắn lại) và dao động kéo dãn bất đối xứng νas (khi một liên kết dài ra trong khi liên kết kia ngắn lại). Với dao động biến dạng, người ta còn phân biệt biến dạng trong mặt phẳng (sự thay đổi góc liên kết xảy ra trong cùng một mặt phẳng) và biến dạng ngoài mặt phẳng (sự thay đổi góc liên kết xảy ra khơng cùng mặt phẳng) (xem hình 1.12).
Hình 1.12. Các mode dao động của nhóm -CH2 và -CH3.
Các vùng phổ hồng ngoại của các nhóm nguyên tử tương ứng với các số sóng khác nhau được thể hiện trên hình 1.13.
Trong bản luận văn này, chúng tôi chỉ quan tâm đến các mode dao động của các nguyên tử trong phân tử AA và của nước: -CH3, CH2, C=O, COO¯, OH với
các tần số cho trong bảng dưới đây:
Bảng 1.1. Các mode dao động tương ứng với số sóng của các nhóm phân tử.
Mode dao động Số sóng (cm-1) C=O 1720 CH 2ss 2855 CH 2as 2920 CH 3as 2960 CH 3Fr 2935 OH (dạng băng) 3200 OH (dạng lỏng) 3450