Vibraatioiden

Vibraatioiden käsite kattaa mekaanisten järjestelmien värähtelyt, joissa osat liikkuvat säännöllisesti kohti ja pois tasapainopaikastaan. Värähtelyt voivat olla vapaita, jolloin ulkoisen voiman jatkuva vaikutus puuttuu, tai pakotettuja, jolloin ulkoinen ajosignaali määrittää taajuuden. Monissa järjestelmiss värähtelyt voidaan jäsentää normaalien tilojen eli modien kautta, joissa kaikki osat värähtelevät samalla aikataululla riippumattomista taajuuksista.

Molekyylien värähtelyt ovat keskeinen osa kemiallista rakennetta. Jokaisella molekyylillä on määrätyt normaalitilat; epälineaarisilla molekyyleillä on yleensä 3N−6 tilaa ja lineaarisilla 3N−5, missä N on atomeja. Näitä tiloja kuvaavat venytys-, taivutus- ja kiertoliikkeet. Värähtelyiden energiat voivat olla kvantittuneita, ja siirtymät voivat antaa tietoa yhdisteen rakenteista.

Kiinteissä aineissa värähtelyt muodostuvat lattice-värähtelyistä, joita kutsutaan fononeiksi. Niitä luokitellaan akustisiin ja optisiin tiloihin; akustiset tilat liittyvät ääniaaltoihin, kun taas optiset tilat liittyvät lähinnä sidottujen atomien väleihin. Värähtelyillä on merkittävä vaikutus materiaalin lämmönjohtavuuteen, lämpökapasiteettiin ja mekaaniseen käyttäytymiseen. Debye- ja muiden mallien avulla kuvataan näitä ilmiöitä.

Vibrational spectroscopy on tärkeä työkalu: infrapunaspektroskopia ja Raman-spektroskopia paljastavat resonanssitaajuuksia, jotka liittyvät molekyylien tai kiinteiden rakenteiden värähtelyihin. Siirtymät vaativat dipolimomentin tai polarisoituvuuden muutosta, ja energian erot ovat kvantittuneita.

Vibraatioiden käsittely on keskeinen osa kemiassa, materiaalitieteessä ja insinöörityössä, missä värähtelyn hallinta vaikuttaa rakenteiden kestävyyteen ja suorituskykyyn.