värähtelytiloja

Värähtelytilat ovat kvantittuneita energian tiloja, jotka liittyvät atomien värähtelyyn molekyyleissä ja kiteissä. Ne muodostuvat sekä yksittäisten molekyylien värähtelyistä että kiinteissä aineissa esiintyvistä kollektiivisista lattice-värähtelyistä, joita kutsutaan fononeiksi. Jokaiselle tilalle kuuluu oma energiatasonsa ja ominainen värähtelyfrekvenssinsä.

Molekyyleissä värähtelyt voidaan kuvata normaalimodoina, joissa kukin modi on itsenäinen. Kunkin modin energiat noudattavat kvanttiluokkia, ja tilojen energiat ovat tyypillisesti E_v = (v + 1/2)ħω, missä v on kvanttiluku ja ω modin frekvenssi. Siirtymät näiden tilojen välillä ilmenevät usein infrapunaspektrissä ja/tai Raman-spektroskopiassa.

Kiinteissä aineissa värähtelytilat ovat fononien kaltainen kollektiivinen lattice-värähtely, joiden taajuudet ja kulkumuodot muodostavat dispersioita. Fononit vaikuttavat materiaalin lämpötilan ominaisuuksiin, kuten lämpökapasiteettiin ja lämmönjohtavuuteen, sekä äänisisäolosuhteisiin. Tiheysjakautumia ja Debye- tai Einstein-malleja käytetään kuvamaan näiden tilojen järjestäytymistä energian mukaan.

Mittaukset värähtelytiloista tehdään pääasiassa infrapuna-, Raman- ja joskus neutron-spektroskopialla. Teoreettisesti tiloja lasketaan harmonisen approksimaation perusteella normaalimodaation analyysillä, ja laajemmissa malleissa käytetään elektronisia- ja tiheysfunktioihin perustuvia laskentamenetelmiä (esim. DFT).

Värähtelytilojen tutkimus on keskeistä kemian, fysiikan ja materiaalitieteen rajapinnoilla, ja se auttaa ymmärtämään molekyylirakenteita, reaktiomekanismeja sekä materiaalien thermisiä ominaisuuksia ja suhteellista spektriarkkitehtuuria.