आणविक कंपन: Difference between revisions
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एक आणविक कंपन एक दूसरे के सापेक्ष एक [[अणु]] के [[परमाणुओं]] | एक आणविक कंपन एक दूसरे के सापेक्ष एक [[अणु]] के [[परमाणुओं]] की [[आवधिक कार्य]] है, जैसे कि अणु के द्रव्यमान का केंद्र अपरिवर्तित रहता है। विशिष्ट कंपन आवृत्तियों की सीमा 10<sup>13</sup> हर्ट्ज से कम लेकर लगभग 10<sup>14</sup> हर्ट्ज होती है जो लगभग 300 से 3000 सेमी<sup>−1</sup> की तरंगों और लगभग 30 से 3 µm माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य के अनुरूप होती है। | ||
द्विपरमाणुक अणु A−B के लिए, s<sup>−1</sup> में कंपन आवृत्ति <math display="inline">\nu = \frac{1}{2 \pi} \sqrt{k / \mu} </math> द्वारा दी जाती है जहाँ k डाइन/सेमी या एर्ग/सेमी<sup>2</sup> में [[बल स्थिर|बल स्थिरांक]] है और μ <math display="inline">\frac{1}{\mu} = \frac{1}{m_A}+\frac{1}{m_B}</math>द्वारा दिया गया घटा हुआ द्रव्यमान है . <math display="inline">\tilde{\nu} \;= \frac{1}{2 \pi c} \sqrt{k / \mu},</math> सेमी<sup>−1</sup>में कंपन तरंग संख्या <sup>-1</sup> है जहाँ c सेमी/सेकेंड में [[प्रकाश की गति]] है। | |||
बहुपरमाणुक अणुओं के कंपनों को सामान्य विधाओं के रूप में वर्णित किया जाता है, जो एक दूसरे से स्वतंत्र होती हैं, लेकिन प्रत्येक सामान्य विधा में अणु के विभिन्न भागों के एक साथ कंपन शामिल होते हैं। सामान्य तौर पर, एन परमाणुओं के साथ एक गैर-रैखिक अणु में 3N-6 [[कंपन मोड]] होता है, लेकिन एक रैखिक अणु में 3N-5 मोड होते हैं, क्योंकि आणविक अक्ष के बारे में रोटेशन नहीं देखा जा सकता है।<ref>{{cite book |last=Landau |first=L. D. |last2=Lifshitz |first2=E. M. |year=1976 |title=यांत्रिकी|edition=3rd |publisher=[[Pergamon Press]] |isbn=0-08-021022-8 |url-access=registration |url=https://archive.org/details/mechanics00land }}</ref> एक [[डायटोमिक अणु]] में कंपन का एक सामान्य तरीका होता है, क्योंकि यह केवल एकल बंधन को फैला या संकुचित कर सकता है। | बहुपरमाणुक अणुओं के कंपनों को सामान्य विधाओं के रूप में वर्णित किया जाता है, जो एक दूसरे से स्वतंत्र होती हैं, लेकिन प्रत्येक सामान्य विधा में अणु के विभिन्न भागों के एक साथ कंपन शामिल होते हैं। सामान्य तौर पर, एन परमाणुओं के साथ एक गैर-रैखिक अणु में 3N-6 [[कंपन मोड]] होता है, लेकिन एक रैखिक अणु में 3N-5 मोड होते हैं, क्योंकि आणविक अक्ष के बारे में रोटेशन नहीं देखा जा सकता है।<ref>{{cite book |last=Landau |first=L. D. |last2=Lifshitz |first2=E. M. |year=1976 |title=यांत्रिकी|edition=3rd |publisher=[[Pergamon Press]] |isbn=0-08-021022-8 |url-access=registration |url=https://archive.org/details/mechanics00land }}</ref> एक [[डायटोमिक अणु]] में कंपन का एक सामान्य तरीका होता है, क्योंकि यह केवल एकल बंधन को फैला या संकुचित कर सकता है। | ||
Revision as of 22:44, 5 April 2023
एक आणविक कंपन एक दूसरे के सापेक्ष एक अणु के परमाणुओं की आवधिक कार्य है, जैसे कि अणु के द्रव्यमान का केंद्र अपरिवर्तित रहता है। विशिष्ट कंपन आवृत्तियों की सीमा 1013 हर्ट्ज से कम लेकर लगभग 1014 हर्ट्ज होती है जो लगभग 300 से 3000 सेमी−1 की तरंगों और लगभग 30 से 3 µm माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य के अनुरूप होती है।
द्विपरमाणुक अणु A−B के लिए, s−1 में कंपन आवृत्ति द्वारा दी जाती है जहाँ k डाइन/सेमी या एर्ग/सेमी2 में बल स्थिरांक है और μ द्वारा दिया गया घटा हुआ द्रव्यमान है . सेमी−1में कंपन तरंग संख्या -1 है जहाँ c सेमी/सेकेंड में प्रकाश की गति है।
बहुपरमाणुक अणुओं के कंपनों को सामान्य विधाओं के रूप में वर्णित किया जाता है, जो एक दूसरे से स्वतंत्र होती हैं, लेकिन प्रत्येक सामान्य विधा में अणु के विभिन्न भागों के एक साथ कंपन शामिल होते हैं। सामान्य तौर पर, एन परमाणुओं के साथ एक गैर-रैखिक अणु में 3N-6 कंपन मोड होता है, लेकिन एक रैखिक अणु में 3N-5 मोड होते हैं, क्योंकि आणविक अक्ष के बारे में रोटेशन नहीं देखा जा सकता है।[1] एक डायटोमिक अणु में कंपन का एक सामान्य तरीका होता है, क्योंकि यह केवल एकल बंधन को फैला या संकुचित कर सकता है।
एक आणविक कंपन उत्तेजित होता है जब अणु ऊर्जा को अवशोषित करता है, ΔE, कंपन की आवृत्ति के अनुरूप, ν, संबंध ΔE = hν के अनुसार, जहां h प्लैंक स्थिरांक है। प्लैंक की स्थिरांक। एक मौलिक कंपन उत्पन्न होता है जब ऊर्जा की एक ऐसी मात्रा अणु द्वारा अपनी जमीनी अवस्था में अवशोषित की जाती है। जब कई क्वांटा अवशोषित होते हैं, तो पहले और संभवतः उच्च अधिस्वर उत्तेजित होते हैं।
पहले सन्निकटन के लिए, एक सामान्य कंपन में गति को एक प्रकार की सरल हार्मोनिक गति के रूप में वर्णित किया जा सकता है। इस सन्निकटन में, कंपन ऊर्जा परमाणु विस्थापन के संबंध में एक द्विघात कार्य (परबोला) है और पहले ओवरटोन में मौलिक की आवृत्ति दोगुनी होती है। वास्तव में, कंपन धार्मिकता है और पहले ओवरटोन में एक आवृत्ति होती है जो मौलिक के दोगुने से थोड़ी कम होती है। उच्च ओवरटोन के उत्तेजना में उत्तरोत्तर कम और कम अतिरिक्त ऊर्जा शामिल होती है और अंततः अणु के पृथक्करण की ओर जाता है, क्योंकि अणु की संभावित ऊर्जा अधिक मोर्स क्षमता या अधिक सटीक रूप से, मोर्स / लंबी दूरी की क्षमता की तरह होती है।
एक अणु की कंपन अवस्थाओं की विभिन्न तरीकों से जांच की जा सकती है। अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से सबसे सीधा तरीका है, क्योंकि कंपन संक्रमणों को आमतौर पर स्पेक्ट्रम के इन्फ्रारेड क्षेत्र से संबंधित ऊर्जा की मात्रा की आवश्यकता होती है। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, जो आमतौर पर दृश्यमान प्रकाश का उपयोग करती है, का उपयोग सीधे कंपन आवृत्तियों को मापने के लिए भी किया जा सकता है। दो तकनीकें पूरक हैं और दोनों के बीच तुलना उपयोगी संरचनात्मक जानकारी प्रदान कर सकती है जैसे सेंट्रोसममिति के लिए पारस्परिक बहिष्करण के नियम के मामले में।
पराबैंगनी-दृश्य स्पेक्ट्रोस्कोपी|पराबैंगनी-दृश्यमान क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना के संयोजन के साथ कंपन उत्तेजना हो सकती है। संयुक्त उत्तेजना को वाइब्रोनिक संक्रमण के रूप में जाना जाता है, विशेष रूप से गैस राज्य में अणुओं के लिए आणविक इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण के लिए कंपन ठीक संरचना प्रदान करता है।
एक कंपन और घुमावों का एक साथ उत्तेजना घूर्णी-कंपन युग्मन | कंपन-रोटेशन स्पेक्ट्रा को जन्म देता है।
कंपन मोड की संख्या
के साथ एक अणु के लिए N परमाणु, सभी की स्थिति N नाभिक कुल 3 पर निर्भर करता हैN समन्वय प्रणाली, ताकि अणु में 3 होN अनुवाद (ज्यामिति) सहित स्वतंत्रता की डिग्री (भौतिकी और रसायन विज्ञान) # भौतिकी, रोटेशन और कंपन में अनुवाद। अनुवाद द्रव्यमान के केंद्र की गति से मेल खाता है जिसकी स्थिति को 3 कार्टेशियन समन्वय प्रणाली द्वारा वर्णित किया जा सकता है।
एक अरैखिक अणु तीन परस्पर लंबवत अक्षों में से किसी के बारे में घूम सकता है और इसलिए स्वतंत्रता की 3 घूर्णी डिग्री होती है। एक रेखीय आणविक ज्यामिति के लिए, आणविक अक्ष के चारों ओर घूमने में किसी भी परमाणु नाभिक की गति शामिल नहीं होती है, इसलिए स्वतंत्रता की केवल 2 घूर्णी डिग्री होती हैं जो परमाणु निर्देशांक को बदल सकती हैं।[2][3] एक समतुल्य तर्क यह है कि एक रेखीय अणु के घूर्णन से अंतरिक्ष में आणविक अक्ष की दिशा बदल जाती है, जिसे अक्षांश और देशांतर के अनुरूप 2 निर्देशांकों द्वारा वर्णित किया जा सकता है। एक अरेखीय अणु के लिए, एक अक्ष की दिशा इन दो निर्देशांकों द्वारा वर्णित है, और इस अक्ष के बारे में अणु का उन्मुखीकरण एक तीसरा घूर्णी समन्वय प्रदान करता है।[4] कंपन मोड की संख्या इसलिए 3 हैN फ्रीडम की ट्रांसलेशनल और रोटेशनल डिग्रियों की संख्या घटाएं, या 3N–5 रैखिक के लिए और 3N-6 अरेखीय अणुओं के लिए।[2][3][4]
कंपन निर्देशांक
एक सामान्य कंपन का समन्वय अणु में परमाणुओं की स्थिति में परिवर्तन का एक संयोजन है। जब कंपन उत्तेजित होता है तो समन्वय एक आवृत्ति के साथ ज्यावक्रीय रूप से बदलता है ν, कंपन की आवृत्ति।
आंतरिक निर्देशांक
एकार्ट की स्थिति # बाहरी और आंतरिक निर्देशांक का पृथक्करण निम्न प्रकार का होता है, जिसे प्लेनर अणु ईथीलीन के संदर्भ में चित्रित किया गया है, केंद्र* स्ट्रेचिंग: बॉन्ड की लंबाई में बदलाव, जैसे सी-एच या सी-सी
- झुकना: दो बंधनों के बीच के कोण में परिवर्तन, जैसे मेथिलीन समूह में एचसीएच कोण
- रॉकिंग: परमाणुओं के एक समूह के बीच कोण में परिवर्तन, जैसे कि मेथिलीन समूह और शेष अणु।
वैगिंग: परमाणुओं के एक समूह के तल के बीच के कोण में परिवर्तन, जैसे कि मेथिलीन समूह और शेष अणु के माध्यम से एक तल,
- मरोड़ना: परमाणुओं के दो समूहों के तलों के बीच के कोण में परिवर्तन, जैसे कि दो मेथिलीन समूहों के बीच के कोण में परिवर्तन।
- आउट-ऑफ़-प्लेन: सी-एच बॉन्ड में से किसी एक के बीच के कोण में परिवर्तन और एथिलीन अणु के शेष परमाणुओं द्वारा परिभाषित प्लेन। एक और उदाहरण बीएफ में है3 जब बोरॉन परमाणु तीन फ्लोरीन परमाणुओं के तल के अंदर और बाहर चलता है।
रॉकिंग, वैगिंग या ट्विस्टिंग में शामिल समूहों के भीतर बॉन्ड की लंबाई में बदलाव नहीं होता है। कोण करते हैं। रॉकिंग को वैगिंग से इस तथ्य से अलग किया जाता है कि समूह में परमाणु एक ही विमान में रहते हैं।
एथिलीन में 12 आंतरिक निर्देशांक होते हैं: 4 सी-एच स्ट्रेचिंग, 1 सी-सी स्ट्रेचिंग, 2 एच-सी-एच बेंडिंग, 2 सीएच2 रॉकिंग, 2 सीएच2 वैगिंग, 1 ट्विस्टिंग। ध्यान दें कि H-C-C कोणों को आंतरिक निर्देशांक के साथ-साथ H-C-H कोण के रूप में उपयोग नहीं किया जा सकता है क्योंकि प्रत्येक कार्बन परमाणु पर सभी कोण एक ही समय में नहीं बढ़ सकते हैं।
ध्यान दें कि ये निर्देशांक सामान्य मोड के अनुरूप नहीं हैं (#Normal निर्देशांक देखें)। दूसरे शब्दों में, वे विशेष आवृत्तियों या कंपन संक्रमणों के अनुरूप नहीं होते हैं।
{{anchor|scissoring}मेथिलीन समूह के कंपन (-CH2-) उदाहरण के लिए एक अणु में
सीएच के भीतर2 समूह, आमतौर पर कार्बनिक यौगिकों में पाया जाता है, दो कम द्रव्यमान वाले हाइड्रोजन छह अलग-अलग तरीकों से कंपन कर सकते हैं जिन्हें 3 जोड़े मोड के रूप में समूहीकृत किया जा सकता है: 1. सममित और असममित खिंचाव, 2. कैंची, और रॉकिंग, 3. वैगिंग और मरोड़। इन्हें यहां दिखाया गया है:
| सममित
खिंचाव |
असममित
खिंचाव |
कैंची (मोड़) |
|---|---|---|
| File:Symmetrical stretching.gif | File:Asymmetrical stretching.gif | File:Scissoring.gif |
| रॉकिंग | वैगिंग | ट्विसटिंग |
|
File:Wagging.gif |
|
(ये आंकड़े C परमाणुओं की पुनरावृत्ति का प्रतिनिधित्व नहीं करते हैं, जो कि अणु के समग्र आंदोलनों को संतुलित करने के लिए आवश्यक रूप से मौजूद हैं, लाइटर H परमाणुओं के आंदोलनों की तुलना में बहुत छोटे हैं)।
समरूपता–अनुकूलित निर्देशांक
समरूपता-अनुकूलित निर्देशांक एक प्रोजेक्शन ऑपरेटर को आंतरिक निर्देशांक के एक सेट पर लागू करके बनाया जा सकता है।[5] प्रोजेक्शन ऑपरेटर का निर्माण आणविक बिंदु समूह की वर्ण तालिका की सहायता से किया जाता है। उदाहरण के लिए, एथीन अणु के चार (असामान्यीकृत) C-H तनन निर्देशांक निम्न द्वारा दिए गए हैं
अधिकांश छोटे अणुओं के लिए समरूपता-अनुकूलित निर्देशांक के उदाहरण नाकामोतो में पाए जा सकते हैं।[6]
सामान्य निर्देशांक
सामान्य निर्देशांक, क्यू के रूप में निरूपित, कंपन के एक सामान्य मोड के संबंध में, उनके संतुलन की स्थिति से दूर परमाणुओं की स्थिति को संदर्भित करता है। प्रत्येक सामान्य मोड को एक सामान्य समन्वय दिया जाता है, और इसलिए सामान्य समन्वय किसी भी समय उस सामान्य मोड के साथ प्रगति को संदर्भित करता है। औपचारिक रूप से, सामान्य मोड एक धर्मनिरपेक्ष निर्धारक को हल करके निर्धारित किए जाते हैं, और फिर सामान्य निर्देशांक (सामान्य मोड पर) को कार्तीय निर्देशांक (परमाणु पदों पर) के योग के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। सामान्य मोड आणविक कंपन को नियंत्रित करने वाले मैट्रिक्स को विकर्ण करते हैं, ताकि प्रत्येक सामान्य मोड एक स्वतंत्र आणविक कंपन हो। यदि अणु में समरूपता होती है, तो सामान्य मोड अपने बिंदु समूह के तहत एक अप्रासंगिक प्रतिनिधित्व के रूप में परिवर्तित हो जाते हैं। सामान्य मोड समूह सिद्धांत को लागू करने और कार्टेशियन निर्देशांक पर अलघुकरणीय प्रतिनिधित्व पेश करके निर्धारित किए जाते हैं। उदाहरण के लिए, जब यह उपचार सीओ पर लागू होता है2, यह पाया गया है कि C=O खंड स्वतंत्र नहीं हैं, बल्कि एक O=C=O सममित खिंचाव और एक O=C=O असममित खिंचाव है:
- सममित खिंचाव: दो सी-ओ खींचने वाले निर्देशांक का योग; दो C-O बंध लंबाई में समान मात्रा में परिवर्तन होता है और कार्बन परमाणु स्थिर रहता है। क्यू = क्यू1 + क्यू2
- असममित खिंचाव: दो सी-ओ खींचने वाले निर्देशांक का अंतर; एक C–O बंध की लंबाई बढ़ जाती है जबकि दूसरे की घट जाती है। क्यू = क्यू1 - क्यू2
जब दो या दो से अधिक सामान्य निर्देशांक आणविक बिंदु समूह (बोलचाल की भाषा में, समान समरूपता) के समान अलघुकरणीय प्रतिनिधित्व से संबंधित होते हैं तो मिश्रण होता है और संयोजन के गुणांकों को एक प्राथमिकता निर्धारित नहीं किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, रैखिक अणु हाइड्रोजन साइनाइड में, एचसीएन, दो तनन कंपन हैं
- मुख्यतः सी-एच स्ट्रेचिंग के साथ थोड़ा सी-एन स्ट्रेचिंग; क्यू1 = क्यू1 + एक क्यू2 (ए << 1)
- मुख्य रूप से C-N स्ट्रेचिंग के साथ थोड़ा C-H स्ट्रेचिंग; क्यू2 = बी क्यू1 + क्यू2 (बी << 1)
विल्सन जीएफ पद्धति के माध्यम से पूर्ण सामान्य समन्वय विश्लेषण करके गुणांक ए और बी पाए जाते हैं।[7]
न्यूटोनियन यांत्रिकी
शायद आश्चर्यजनक रूप से, सही कंपन आवृत्तियों की गणना करने के लिए न्यूटोनियन यांत्रिकी का उपयोग करके आणविक कंपन का इलाज किया जा सकता है। मूल धारणा यह है कि प्रत्येक कंपन का इलाज किया जा सकता है जैसे कि यह वसंत से मेल खाता हो। हार्मोनिक सन्निकटन में वसंत हुक के नियम का पालन करता है: वसंत को विस्तारित करने के लिए आवश्यक बल विस्तार के समानुपाती होता है। आनुपातिकता स्थिरांक को बल स्थिरांक, k के रूप में जाना जाता है। एनार्मोनिक ऑसिलेटर को अन्यत्र माना जाता है।[8]
क्वांटम यांत्रिकी
हार्मोनिक सन्निकटन में संभावित ऊर्जा सामान्य निर्देशांक का द्विघात कार्य है। श्रोडिंगर तरंग समीकरण को हल करते हुए, प्रत्येक सामान्य निर्देशांक के लिए ऊर्जा अवस्थाएँ निम्न द्वारा दी गई हैं
ऊर्जा में अंतर जब n (या v) 1 से बदलता है तो बराबर होता है शास्त्रीय यांत्रिकी का उपयोग करके प्राप्त प्लैंक स्थिरांक और कंपन आवृत्ति का उत्पाद। फोटॉन के अवशोषण के कारण स्तर n से स्तर n+1 तक संक्रमण के लिए, फोटॉन की आवृत्ति शास्त्रीय कंपन आवृत्ति के बराबर होती है (हार्मोनिक ऑसिलेटर सन्निकटन में)।
पहले 5 तरंग कार्यों के ग्राफ के लिए क्वांटम हार्मोनिक ऑसिलेटर देखें, जो कुछ चयन नियमों को तैयार करने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, एक हार्मोनिक ऑसिलेटर के लिए ट्रांज़िशन की अनुमति तभी दी जाती है जब क्वांटम संख्या n एक से बदलती है,
तीव्रता
एक इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम में अवशोषण बैंड की तीव्रता (भौतिकी) सामान्य समन्वय के संबंध में आणविक द्विध्रुवीय क्षण के व्युत्पन्न के समानुपाती होती है।[12] इसी तरह, रमन बैंड की तीव्रता सामान्य समन्वय के संबंध में ध्रुवीकरण के व्युत्पन्न पर निर्भर करती है। उपयोग किए गए लेजर की तरंग दैर्ध्य की चौथी शक्ति पर भी निर्भरता है।
यह भी देखें
- सुसंगत एंटी-स्टोक्स रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (कार्स)
- एकार्ट की स्थिति
- फर्मी अनुनाद
- जीएफ विधि
- [[धातु कार्बोनिल्स इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के पास]]
- लेनार्ड-जोन्स क्षमता
- अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी के पास
- परमाणु अनुनाद कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी
- अनुनाद रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी
- संक्रमण द्विध्रुव क्षण
संदर्भ
- ↑ Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. (1976). यांत्रिकी (3rd ed.). Pergamon Press. ISBN 0-08-021022-8.
- ↑ 2.0 2.1 Hollas, J. M. (1996). आधुनिक स्पेक्ट्रोस्कोपी (3rd ed.). John Wiley. p. 77. ISBN 0471965227.
- ↑ 3.0 3.1 Banwell, Colin N.; McCash, Elaine M. (1994). आणविक स्पेक्ट्रोस्कोपी की बुनियादी बातों (4th ed.). McGraw Hill. p. 71. ISBN 0-07-707976-0.
- ↑ 4.0 4.1 Atkins, P. W.; Paula, J. de (2006). भौतिक रसायन (8th ed.). New York: W. H. Freeman. p. 460. ISBN 0716787598.
- ↑ Cotton, F. A. (1971). समूह सिद्धांत के रासायनिक अनुप्रयोग (2nd ed.). New York: Wiley. ISBN 0471175706.
- ↑ Nakamoto, K. (1997). अकार्बनिक और समन्वय यौगिकों के इन्फ्रारेड और रमन स्पेक्ट्रा, भाग ए (5th ed.). New York: Wiley. ISBN 0471163945.
- ↑ 7.0 7.1 Wilson, E. B.; Decius, J. C.; Cross, P. C. (1995) [1955]. आणविक कंपन. New York: Dover. ISBN 048663941X.
- ↑ Califano, S. (1976). कंपन राज्य. New York: Wiley. ISBN 0471129968.
- ↑ Gans, P. (1971). कंपन अणु. New York: Chapman and Hall. ISBN 0412102900.
- ↑ Hollas, J. M. (1996). आधुनिक स्पेक्ट्रोस्कोपी (3rd ed.). John Wiley. p. 21. ISBN 0471965227.
- ↑ Atkins, P. W.; Paula, J. de (2006). भौतिक रसायन (8th ed.). New York: W. H. Freeman. pp. 291 and 453. ISBN 0716787598.
- ↑ Steele, D. (1971). कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी का सिद्धांत. Philadelphia: W. B. Saunders. ISBN 0721685803.
अग्रिम पठन
- Sherwood, P. M. A. (1972). Vibrational Spectroscopy of Solids. Cambridge University Press. ISBN 0521084822.

