Molekularvibration

Molekularvibration, eller molekylär vibration, är den periodiska rörelsen av atomerna inom ett molekyl när molekylen vibrerar kring sin jämviktsgeometri. Dessa rörelser kan beskrivas som ett antal normalmoder – oberoende vibrationslägen där alla atomer rör sig med fasta relativa faser och amplituder. Varje normalmod har en specifik frekvens och karakteristiska rumsanordningar som speglar bindningar och massfördelning i molekylen.

Vanliga typer av molekylär vibration är stretchningar och böjningar. Stretchningar delas ofta in i symmetriska och antisymmetriska stretchningar av kemiska band, medan böjningar omfattar olika rörelsemättnader som scissoring, rocking, wagging och twisting. Vibrationerna påverkas av massorna hos atomerna och styrkan i kemiska bindningar; tyngre atomer och starkare bindningar leder till högre eller lägre frekvenser beroende på läget.

Teori inom molekylär vibration bygger vanligtvis på en harmonisk approximation där potentialenergin anses vara kvadratisk i små avvikelser från jämviktsläget. Normalmoderna frekvenser uppnås genom att diagonalistera Hessian-matrisen (andragivna fjädringskonstanter), vilket ger kvantiserade energi-nivåer. Vid verkliga molekyler förekommer anharmonismer och mode-korsningar, vilka korrigeras med empiriska skalfaktorer eller mer sofistikerade beräkningar.

Vibrationsspektroskopi är centralt för studier av molekylstruktur och dynamik. Infrared (IR) -spectroskopi kräver förändring i dipolmoment under vibration, medan Raman-spektroskopi är baserat på variation i polarizabilitet. Kombinationer med rotationer ger rovibrationsspektrum som används inom kemi, fysik och astrovetenskap. Modern beräkning av molekylvibrationer stöder tolkningar av spektra och förutsägelser av material- och reaktionsbeteende.