14. Спектры комбинационного рассеяния молекул

При облучении вещества монохроматическим излучением с частотой в спектре рассеянного излучения регистрируются компоненты, как с частотами , так и с частотами, сдвинутыми относительно в ИК и УФ область. Они сдвинуты на частоты молекулярных колебаний.

– стоксовы частоты; – антистоксовы частоты,

Пусть изначально молекула находится в основном колебательном состоянии.

Отношение интенсивности стоксова рассеяния к интенсивности антистоксова будет пропорционально отношению числа переходов стоксовых компонент к числу антистоксовых.

В классической трактовке явления опираются на то, что свойства рассеянной веществом электромагнитной волны определяются поляризуемостью молекулы. Если на среду воздействует излучение с напряженностью E, то в ней индуцируется момент , где - поляризуемость молекулы. Если поле гармоническое, то . При колебаниях и вращениях молекулы поляризуемость периодически изменяется, так как изменяется полная энергия электрона, то есть поляризуемость должна быть функцией межъядерного расстояния в молекуле .

Можно разложить поляризуемость молекулы в ряд по колебательной координате вблизи равновесного межъядерного расстояния:

Считая, что колебательные молекулы квазигармоничны, то есть q меняется по гармоническому закону:

Представим в разложение поляризуемости межъядерного расстояния по гармоническому закону:

Тогда подставим в выражение для дипольного момента:

Здесь

Переменное электромагнитное поле среды модулируется собственными частотами молекул.

Т.к. интенсивность рассеянного излучения пропорциональна модулю дипольного момента, интенсивность излучения, рассеянного на частоте будет пропорциональна дипольному моменту на этой частоте:

Двухатомная молекула обладает спектром комбинационного рассеяния лишь в том случае, если при колебаниях происходит изменение её поляризуемости. Поляризуемость колебаний сильно меняется при симметричных колебаниях, поэтому наиболее интенсивные спектры комбинационного рассеяния присущи неполярным молекулам с преимущественно ковалентным типом связи. В колебательных спектрах многоатомных молекул появляются частоты нормальных колебаний. При этом интенсивности колебательных полос оказываются пропорциональны производной от поляризуемости по нормальной координате.

В спектроскопии существует правило альтернативного запрета: у молекул, обладающих центром симметрии, в спектре ИК поглощения неактивны колебания, активные в спектре комбинационного рассеяния и наоборот.

Колебания молекул .

Симметрия колебаний .

Важной характеристикой полос в спектре комбинационного рассеяния является степень поляризации. Эта величина, полученная из измерения состояния поляризации рассеянного света, содержит информацию об анизотропии поляризуемости молекулы, а поляризуемость молекулы – это тензор поляризации, позволяющий судить о взаимном влиянии связей и групп в молекулах. В ИК – спектре поглощения наиболее интенсивные полосы удаётся получить при исследовании молекул с ковалентной полярной и ионной связью. При прочих равных условиях интенсивность ИК-спектра обычно тем больше, чем более полярна молекула. Интенсивность в спектре поглощения может служить приближённой количественной мерой степени полярности молекулы. Интенсивность в спектре поглощения может служить приближённой количественной мерой степени полярности химической связи.